過程控制中的前饋控制系統(tǒng)-文檔資料

1、1前饋控制系統(tǒng)Feedforward Control2上一講內(nèi)容回顧n介紹了串級控制系統(tǒng)的概念與特點；n結(jié)合控制原理，具體分析了串級系統(tǒng)的抗干擾性能；n討論了串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則；n介紹了串級控制系統(tǒng)的防積分飽和；n介紹了串級控制系統(tǒng)的投運。3課堂提問課堂提問1n相比反饋控制，串級控制更有效抑制干擾，因此在控制方案選擇時應首選串級控制？n串級能夠有效抑制副回路中的干擾，因此應選擇能包含最多干擾的那個變量作為副變量？4控制器的正反作用選擇課堂提問課堂提問25n試分析串級控制為何能有效抑止二次擾動；n試分析串級系統(tǒng)為何能克服副對象和調(diào)節(jié)閥的非線性。課堂提問課堂提問36課堂提問課堂提問41、如果加

2、熱蒸汽壓力波動導致單回路控制效果不理想，怎么辦？2、如果工藝介質(zhì)流量波動導致控制效果不理想，怎么辦？7內(nèi) 容n前饋控制的原理n線性前饋控制的設(shè)計n非線性前饋控制n前饋反饋控制系統(tǒng)8換熱器的反饋控制換熱器的反饋控制TC蒸汽凝液工藝介質(zhì)cp, RF , T1T2HV, RV假設(shè)主要干擾為RF，T19單回路控制的仿真單回路控制的仿真10采用串級控制？采用串級控制？n串級控制需要：n單回路控制不能滿足要求；n可測量的副變量n副變量需要滿足：n快速反應主要干擾的影響n干擾對副、主變量的影響具有因果關(guān)系n調(diào)節(jié)閥對副、主變量的影響具有因果關(guān)系NO!無法采用串級控制！無法采用串級控制！11換熱器的前饋控制方案

3、換熱器的前饋控制方案蒸汽凝液工藝介質(zhì)cp, RF , T1T2HV, RVFFRF12前饋控制的思想前饋控制的思想D1，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量。前饋思想前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。13原理分析原理分析根據(jù)不變性原理，當擾動F(s)變化時，對被控變量無影響，即與擾動變化無關(guān)0)()()()()(sFsGsGsGsYFoFF)()()(sGsGsGoFFF14靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋n前饋控制分為靜態(tài)前饋和動態(tài)前饋兩類n假設(shè)n前饋控制器傳遞函數(shù)sFFFsoooFoesTKsGesTKsG1)(1

4、)(sFoFFsFoOFoFFFoFoFesTsTKesTsTKKsGsGsG)()(1111)()()(11)()(sTsTKsGKKKsGFoFFFFOFFFFF動態(tài)補償控制器靜態(tài)補償控制器15舉例：換熱器的前饋控制舉例：換熱器的前饋控制穩(wěn)態(tài)工作點穩(wěn)態(tài)工作點：T1=20，RF=10 T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180。假設(shè)假設(shè)：T2溫度測量變送的量程為100-300，RV和RF的量程分別為0 5 T/hr和0 25 T/hr。16換熱器的線性前饋控制換熱器的線性前饋控制2( )%( )( )1/DsmDYDFDTsKGseRsT sT hr2( )%( )( )1%Ms

5、mMYCVspMTsKGseRsT s%( )/DMDTGsKT hr177.8( )expexp0.5131DYDDDKGsssT ss 2.0( )expexp0.216.31MYCMMKGsssT ss換熱器的線性前饋控制（續(xù)）換熱器的線性前饋控制（續(xù)）()1( )1DMsDMFFDTMDKT sGseKKT s %( )4.0/DMDTGsKT hr采用階躍響應方法測試各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型：6.31%( )0.975exp0.331%FFsGsss18線性前饋控制的仿真線性前饋控制的仿真有余差19前饋加反饋控制前饋加反饋控制20前饋反饋控制的仿真前饋反饋控制的仿真21非線性穩(wěn)態(tài)前饋控

6、制非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系：VVFpRHTTRc)(12pVvspFvspVcHKTTRKR/, )(11222非線性系統(tǒng)的動態(tài)前饋補償非線性系統(tǒng)的動態(tài)前饋補償)()(sgKsGFFFFFF 對于線性系統(tǒng)，動態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動態(tài)兩部分：對于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對象的非線性靜態(tài)模型計算得到，而動態(tài)部分同樣可按線性對象處理。23非線性動態(tài)前饋控制器非線性動態(tài)前饋控制器211()spspVFvRR TTKT1RFT2spRVspkv)()(12sgsg)()(13sgsg動態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對系統(tǒng)輸出T2的通道特

7、性的動態(tài)部分。）24 在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。 反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。 在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)高精度的控制。而前饋反饋控制系統(tǒng)既可實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：復合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：25系統(tǒng)引進前饋控制必須遵循的原則：系統(tǒng)引進前饋控制必須遵循的原則： 1 1）系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測不可控的干擾，反饋控制難以克系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測不可控的干擾，反饋控制難以

8、克 服、控制要求高時；服、控制要求高時；2 2）控制通道時常大于干擾通道時常，反饋控制不及時，控制質(zhì)量差；控制通道時常大于干擾通道時常，反饋控制不及時，控制質(zhì)量差；3 3）主要干擾無法用串級控制使其包含于副回路或副回路滯后過大時；主要干擾無法用串級控制使其包含于副回路或副回路滯后過大時；4 4）盡可能采用靜態(tài)補償而不采用動態(tài)補償。盡可能采用靜態(tài)補償而不采用動態(tài)補償。26前饋控制與反饋控制的比較前饋控制與反饋控制的比較 前前 饋饋 控控 制制 反反 饋饋 控控 制制擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測超前調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實現(xiàn)問題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)

9、）開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統(tǒng)僅能感受有限個可測擾動系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動對于干擾與控制通道的動態(tài)模型，要求已知而且準確對通道模型要求弱，大多數(shù)情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應性弱對時變與非線性對象的適應性與魯棒性強27前饋反饋控制方案前饋反饋控制方案1蒸汽凝液工藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1前饋控制器28前饋反饋控制方案前饋反饋控制方案2蒸汽凝液工藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1前饋控制器特點：可克服對象的非線性，或具有變增益控制器的功能。VVFpRHTTRc)(1229討討 論論n引入前饋控制的可能應用場合：n常規(guī)反

10、饋控制系統(tǒng)難以滿足要求；n干擾可測。n應用前饋控制的前提條件：n主要干擾可測；n調(diào)節(jié)閥與被測干擾之間沒有因果關(guān)系；n干擾通道的響應速度比控制通道慢，至少應接近；n干擾通道與控制通道的動態(tài)特性變化不大。30本章作業(yè)：本章作業(yè)：1. 如圖示加熱爐，采用控制燃料氣流量來保證加熱爐出口溫度恒定。1) 若進料量是主要擾動且不可控制時，設(shè)計合理的控制方案，并作簡要說明。2) 當燃料氣閥前壓力是是主要擾動且不可控時，設(shè)計合理的控制方案，并作簡要說明。 31322. 某前饋-串級控制系統(tǒng)如圖所示。已知：求：（1）繪出該系統(tǒng)方框圖。（2）計算前饋控制器的數(shù)學模型。3）假定控制閥為氣開式，試確定各控制器的正/反作

11、用。;123)(; 1)()(; 2)(; 9)()(012121ssGsGsGSGSGSGmmVCC;125 .0)(;123)(02ssGssGf333. 判斷系統(tǒng)類型判斷系統(tǒng)類型344. 在如圖所示的鍋爐三沖量液位控制系統(tǒng)中，1）三沖量是指哪三個沖量？在圖中畫出控制系統(tǒng)流程圖 2）畫出其控制系統(tǒng)方框圖；3）從保護鍋爐的角度，選擇閥門開關(guān)型式；4）在圖中標明各環(huán)節(jié)傳函的正負符號；5）確定調(diào)節(jié)器的正反作用；6）簡述蒸汽負荷增大時和供水壓力增加時系統(tǒng)分別如何進行調(diào)節(jié)。 355.分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)36課前題目：課前題目：(15分)如左下圖所示為聚合釜溫度控制系統(tǒng)。試問： （1）這是一個什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出它的方框圖； （2）如果聚合釜的溫度不允許過高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開、氣關(guān)型式； （3）確定主、副控制器的正、反作用； （4）簡述當冷卻水壓力變化時的控制過程； （5）如果選擇夾套內(nèi)的水溫作為副變量構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，請在右下圖畫出它的原理圖，并確定主、副控制器的正、反作用。37