5前馈控制实用教案

1、课堂(ktng)提问1 相比单回路反馈(fnku)控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？ 串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变量？前提条件？第1页/共56页第一页，共57页。控制器的正反作用(zuyng)选择课堂(ktng)提问2加热炉出口温度与燃料油压力(yl)串级控制系统 第2页/共56页第二页，共57页。试分析串级控制为何(wih)能有效抑止二次扰动；试分析串级系统为何(wih)能克服副对象和调节阀的非线性。课堂(ktng)提问3第3页/共56页第三页，共57页。课堂(ktng)提问41、如果(rgu)加热蒸汽压力波动导致

2、单回路控制效果不理想，怎么办？2、如果(rgu)工艺介质流量波动导致控制效果不理想，怎么办？第4页/共56页第四页，共57页。内 容 前馈控制的基本原理 前馈控制的设计 前馈控制的几种主要结构形式 前馈控制的实施及应用(yngyng) 前馈控制的参数整定第5页/共56页第五页，共57页。换热器的反馈(fnku)控制TC蒸汽凝液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RV假设(jish)主要干扰为RF，T1第6页/共56页第六页，共57页。采用(ciyng)串级控制？ 串级控制需要： 单回路控制不能满足要求； 可测量的副变量(binling) 副变量(binling)需要满足： 快速反应主要干

3、扰的影响 干扰对副、主变量(binling)的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量(binling)的影响具有因果关系NO!无法(wf)采用串级控制！第7页/共56页第七页，共57页。换热器的前馈控制(kngzh)方案蒸汽凝液工艺介质cp, RF , T1T2HV, RVFFRF第8页/共56页第八页，共57页。前馈控制(kngzh)的思想D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作(cozu)变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出(shch)以前，直接改变操作变量，以使输出(shch)不受或少受外部扰动的影响。第9页/共56页第九页，共57页。前馈控制(kngzh)方块图控制目标：

4、( )0( )( )( )( )0( )YDFFYCDMY sGsGs Gs GsD s( )( )( )( )YDFFDMYCGsGsGs Gs 开环“不变性原理”或“干扰补偿(bchng)理论” 第10页/共56页第十页，共57页。前馈控制系统(kn zh x tn)的补偿过程 第11页/共56页第十一页，共57页。前馈控制(kngzh)特点： 1、前馈控制按干扰作用的大小进行控制，比反馈控制要及时。 2、前馈控制属于开环控制。 3、前馈控制器是视对象(duxing)特性而定的“专用”控制器。 4、一种前馈控制只能控制一种干扰。第12页/共56页第十二页，共57页。5.2 FFC的几种主要

5、结构( jigu)形式 单纯的前馈控制系统 （1）动态前馈控制 （2）静态(jngti)前馈控制 前馈-反馈控制系统 前馈-串级控制系统 第13页/共56页第十三页，共57页。动态(dngti)前馈控制( )( )( )PDffPCGSGSGS 第14页/共56页第十四页，共57页。静态(jngti)前馈控制 定义：前馈控制器的输出Mff仅仅(jnjn)是输入量的函数，而与时间因子t无关，称为静态前馈控制。 适用范围：一般对于补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近，均可采用静态前馈控制。第15页/共56页第十五页，共57页。单纯(dnchn)前馈控制的存在问题： （1）单纯前馈不存在被

6、控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。 （2）由于工业对象存在多个干扰，势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资(tu z)费用和维护工作量。 （3）前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致GPD（s）和GPC（s）的变化。 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了解决上述局限性，将前馈与反馈相结合，构成前馈反馈控制系统（FFC-FBC）。第16页/共56页第十六页，共57页。前馈-反馈(fnku)控制第17页/共56页第十七页，共57页。前馈反馈(fnku)控制方案

7、 当F变化时，前馈控制器改变加热蒸气Fs以补偿F对被控变量1的影响，同时反馈对其它干扰如物料入口温度等按PID规律进行校正，这样(zhyng)两个校正作用相叠加，使1尽快回到给定值。第18页/共56页第十八页，共57页。前馈-反馈(fnku)控制系统作用： 前馈控制克服反馈控制不易克服的主要干扰(gnro)，而对其它干扰(gnro)则进行反馈控制。 干扰(gnro)F对被控变量1的闭环传递函数为：1( )( )( )( )( )1( )( )1( )( )ffPCPDCPCCPCGS GSSGSF SGS GSGS GS( )( )( )0( )( )( )PDffPCPDffPCGSGS G

8、SGSGSGS ( )0,0F S 可见FFC-FBC系统实现完全(wnqun)补偿的条件与开环FFC相同。第19页/共56页第十九页，共57页。前馈-反馈控制系统(kn zh x tn)优点： 1）由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统，只需对主要的干扰(gnro)进行前馈补偿，其它干扰(gnro)可由反馈控制予以校正； 2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用模型创造了条件； 3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能力。第20页/共56页第二十页，共57页。前馈-反馈(fnku)控制系统的局限性： （1）前馈控

9、制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制阀，这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系转化为物料流量与控制阀膜头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。 （2）必须(bx)要求控制阀前后压差恒定，否则无法实现精确的校正。第21页/共56页第二十一页，共57页。前馈-串级控制(kngzh)第22页/共56页第二十二页，共57页。212( )( )( )( )( )( )1( )( )( )PDffPPCCPPCGSGS GS GSSF SGS GS GS22222( )( )( )1( )( )CPPCPGS GSGSGS

10、GS2( )1PGS ( )0,0F S 2( )( )( )( )( )( )PDPDffPPCPCGSGSGSGS GSGS 无论哪种形式(xngsh)的前馈控制系统，其前馈控制器的传递函数均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性之比，并前面加以“负”号。 第23页/共56页第二十三页，共57页。结论(jiln) 引入前馈控制的可能应用场合： 常规反馈控制系统(kn zh x tn)难以满足要求； 干扰可测。 应用前馈控制的前提条件： 主要干扰可测； 调节阀与被测干扰之间没有因果关系； 干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； 干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。第24页/共56页第

11、二十四页，共57页。练习(linx) 某前馈-串级控制系统(kn zh x tn)如图所示。已知： 要求：1）汇出该系统的方块图；2）计算前馈控制器的数学模型。9) s (G) s (Gc2c1) 12s/(3) s (G011) s (GV) 12s/(2) s (G021) s (G) s (Gm2m1) 12s/(0.5) s (GPD第25页/共56页第二十五页，共57页。提问(twn)前馈控制的补偿原理？前馈控制与反馈控制的区别？前馈控制的几种主要结构( jigu)形式？前馈控制器的传递函数结构( jigu)形式？如何获取？如何实施？第26页/共56页第二十六页，共57页。本节内容(

12、nirng)前馈控制器的实现前馈控制器的应用(yngyng)原则前馈控制的设计前馈控制的参数整定第27页/共56页第二十七页，共57页。5.3 前馈控制规律(gul)的实现( )( )( )PDffPCGSGSGS 不变性原理(yunl) 第28页/共56页第二十八页，共57页。动态(dngti)前馈控制的可实现性 前馈控制器的控制规律均可表示(biosh)为对象的干扰通道与控制通道的特性。 实践证明，相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。 第29页/共56页第二十九页，共57页。动态(dngti)前馈控制的可实现性

13、 式中：Kf=K2/K1静态(jngti)前馈放大系数 f=21 1221sPDKGseT s 2111sPCKGseTs 1211fsPDfffPCGsT sGsKeGST s 可实现(shxin)条件：（1）Gff(s)分母的阶次大于等于分子的阶次；（2） 不满足条件时怎么办？12第30页/共56页第三十页，共57页。可实现(shxin)条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次；（2） 动态(dngti)前馈控制的可实现性12若条件（2）不满足(mnz)，可人为令12若条件（1）不满足，令GPD (s)与GPC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统中常用的动态前馈控制器为 12

14、11fsPDfffPCGsT sGsKeGST s 第31页/共56页第三十一页，共57页。“超前-滞后(zh hu)”前馈补偿模型 =T1/T21.当1时，即 T1 T2 ，前馈补偿带有超前性，适用于对象控制通道滞后(zh hu)大于干扰通道滞后(zh hu)。2.当1时，即 T1T2 ，前馈补偿带有滞后(zh hu)性，适用于对象控制通道滞后(zh hu)小于干扰通道滞后(zh hu)。11)(21sTsTKsGfff111tTffmKe第32页/共56页第三十二页，共57页。“超前-滞后”前馈补偿(bchng)模型111tTffmKe第33页/共56页第三十三页，共57页。5.4 前馈控

15、制系统(kn zh x tn)的应用应用原则：（1 1）对象的滞后或纯滞后（控制通道）较大(jio (jio d)d)，反馈控制难以满足工艺要求，可以采用前馈控制把主要干扰引入前馈控制，构成前馈- -反馈控制系统。（2 2）系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰，可采用前馈控制大大提高控制品质。（3 3）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，则需要通过建立数学模型来实现控制。 在决定选用前馈控制方案后，当静态前馈能满足工艺要求时，不必选用动态前馈。第34页/共56页第三十四页，共57页。T1CT2C燃料原油T1C燃料原油Gff 串级控制系统(kn zh x tn

16、)前馈-反馈(fnku)控制系统分析(fnx)比较第35页/共56页第三十五页，共57页。分析(fnx)比较结构上：串级控制：内外两个反馈回路组成前馈-反馈控制：一个反馈和一个开环的补偿(bchng)回路叠加而成变量上：（串级控制的副参数与前馈-反馈控制的前馈输入量是两个截然不同的变量）前者是串级控制系统中反映主被控变量的中间变量，控制作用对他产生明显的调节效果；后者是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量，引入前馈的目的是为了补偿(bchng)原料油流量对炉出口温度的影响。功能上：前馈控制器与串级控制的副控制器担负不同的功能。第36页/共56页第三十六页，共57页。

17、T1C燃料原油FC上图所示系统(xtng)的方框图FTGPD(S)GPC(S)+-FTC-FC结构(jigu)？控制器？第37页/共56页第三十七页，共57页。结构上不属于串级控制，而且操纵变量不能改变加热炉的物料流量结构上，像前馈-反馈(fnku)控制系统，但是控制器不正确实际上是一个设计错误的串级控制系统和前馈-反馈(fnku)控制系统非标准的前馈-反馈(fnku)控制系统，对于静态前馈-反馈(fnku)控制系统实用。为什么？第38页/共56页第三十八页，共57页。画出该控制系统(kn zh x tn)的方框图？第39页/共56页第三十九页，共57页。三冲量(chngling)控制系统 本

18、系统不但能通过串级副回路及时克服给水流量的干扰，而且还能实现对蒸汽负荷的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等于蒸汽量D的变化，从而(cng r)维持了水位H的不变。第40页/共56页第四十页，共57页。5.5 前馈控制系统(kn zh x tn)的参数整定 Kf的整定 T1、T2的整定第41页/共56页第四十一页，共57页。 重要性：如果正确的选择Kf，也就能正确地决定阀位。如果Kf过大，则相当对反馈控制路施加了干扰，将会输出(shch)错误的静态前馈输出(shch)。 Kf的整定方法： 1）开环整定方法： 开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单纯静态前馈状态下，施加干扰， Kf 由小逐步增大

19、，直到被控变量回到给定值，此时Kf 为最佳值。 5.5.1 Kf的整定第42页/共56页第四十二页，共57页。2）闭环整定方法(fngf)：Kf闭环整定法系统(xtng)方框图Gff(S)GPD(S)GPC(S)+-FGC(S)+Ka）在FFC-FBC运行下整定 开关K打开，在只有反馈时，整定反馈控制器的参数；开关K闭合，使系统处于前馈反馈状态，施加相同的干扰作用量，由小而大逐渐改变Kf值，直至得到满意的补偿效果(xiogu)为止。Kf 对于控制过程的影响示于下图。第43页/共56页第四十三页，共57页。b）利用反馈系统整定 开关K打开，使系统处于(chy)反馈系统运行状态，待系统稳定后，记下

20、干扰变送器的输出电流ID0和反馈控制器的输出稳定值IC0。然后对干扰D施加一增量D，当反馈系统在D的作用下被控变量重新回到给定值时，记下干扰变送器的输出电流ID和反馈控制器的输出稳定值IC。则前馈控制器的静态放大系数为：DCDODCOCfIIIIIIK第44页/共56页第四十四页，共57页。DCDODCOCfIIIIIIK物理意义(yy)：当干扰为D 时，即干扰量变送器产生ID的变化，由反馈控制器产生的校正作用应改变Ic 才能使被控变量回到给定值。使用这种整定法需要注意两点： (1)反馈控制器必须具有积分作用。 (2)工况稳定，以免其它干扰的影响。第45页/共56页第四十五页，共57页。Kf=

21、0（a）无前馈Kf适当（ c）补偿(bchng)合适Kf太小（b）欠补偿(bchng)，Kf过大（d）过补偿(bchng) Kf对控制过程的影响第46页/共56页第四十六页，共57页。看曲线，调参数的经验法：当T1过小或T2过大时，产生(chnshng)欠补偿现像，如图(a)。当T1过大或T2过小时，产生(chnshng)过补偿现像，如图(b) 。当T1、T2分别接近或等于对象控制通道和干扰通道时间常数时，此时补偿合适，如图(c) 。(a)欠补偿(bchng)(b)过补偿(bchng)(3)补偿合适5.5.2 T1、T2的整定第47页/共56页第四十七页，共57页。 特别说明： 由于(yuy)过补偿往往是前馈控制系统危险之源，它会破坏控制过程，甚至达到不能允许的地步。相反，欠补偿却是寻求合理的前馈动态参数的途径。因此动态参数的整定应从欠补偿开始，逐渐强化前馈