热工控制系统课堂第七章前馈-反馈复合控制系统培训资料

第七章前馈－－反馈复合控制系统第六节带冲击负荷锅炉的给水控制系统第一节前馈控制系统的组成第二节前馈控制系统的特点第三节复合控制系统特性分析第四节复合控制系统实例分析——三冲量给水控制系统第五节串级三冲量给水控制系统实例分析第一节前馈控制系统的组成

如果干扰已经发生，而被调参数还未变化时，调节器是不会动作的。即反馈控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控制”。

前两章讨论的串级、导前微分系统都是反馈控制，它是根据被调参数的偏差值来控制的。反馈控制的特点:必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调节来补偿干扰对被调量的影响。在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量（被调量）发生变化又要经过一定的时间。可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进行控制。当被加热水流量发生变化时，若蒸汽量不发生变化，而要使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。Y(θ1)WDZ（S）WD（S）WB（S）KBZ++图7－1前馈控制原理框图下面以换热器为例说明：前馈控制系统的原理框图如图7－1所示：换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度一定。图中，KB：测量变送器的变送系数；WDZ(S)：干扰通道对象传递函数；WD(S)：控制通道对象传递函数；WB(S)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。第二节前馈控制系统的特点实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然WB(S)取决于对象控制通道和干扰通道特性。由图7-1得:理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。Y(θ1)WDZ（S）WD（S）WB（S）KBZ++图7－1前馈控制原理框图式中Z(S)是干扰，Y(S)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿”，此时：令KB=1则有：所以,前馈控制器控制规律为：(7-1)式（7－1）说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。如果WD(S)和WDZ(S)可以很准确测出，且WB(S)完全和式(7-1)确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，从而使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均为零。第三节复合控制系统特性分析正如前面所述，前馈控制能依据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持给定值。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。

首先，表现在前馈控制系统中不存在被调量反馈，即对于补偿结果没有检验的手段。因而，当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将作进一步的校正。

其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。

此外，当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。

再者，前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致WD(S)和WDZ(S)的变化,因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。

工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服。以这种形式组成的系统称为前馈－－反馈复合控制系统。

前馈－－反馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到广泛应用。复合控制系统具有以下几个特点:一、引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变图7－2为前馈－－反馈复合控制系统的原理方框图：WB（S）WDZ（S）WT（S）WD（S）YXZ+-+图7-2复合控制系统原理方框图由图可得,没有加入反馈作用时完全补偿条件为：加上反馈后有：WB（S）WDZ（S）WT（S）WD（S）YXZ+-+图7-2复合控制系统原理方框图上式中,X(S)=0,Z(S)≠0,应用不变性原理有：即：而如果不加前馈作用,即若WB(S)=0，显然：由于WDZ(S)≠0，因此扰动对系统输出是有影响的。二、复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通道和干扰通道有关，还与反馈调节器的位置有关若复合控制系统的组成如图7－3所示，反馈调节器与图7－2相比，不是放在前馈信号前面，而是放在它的后面，则有：WDZ（S）WT（S）WD（S）YX-+WB（S）Z++图7－3复合控制系统原理方框图之二可得完全补偿的条件：由图7-3得：WDZ（S）WT（S）WD（S）YX-+WB（S）Z++图7－3复合控制系统原理方框图之二三、复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多

为便于比较，设系统为定值控制，即X(S)=0，专门讨论扰动Z(S)对系统的影响。因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(S)的第二项不可能完全为零，令其为△(S)，那么，纯前馈控制时：加入反馈后则：因为1+WT(S)WD(S)≥1，所以：Y1’(S)＜Y1(S)对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。四、前馈补偿对于系统的稳定性没有影响这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入－－输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。第四节复合控制系统实例分析——三冲量给水控制系统一、给水控制的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定范围内。具体要求有以下两个方面：（1）维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，因而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁破裂。（2）保持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地剧烈波动,否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。二、给水控制对象的动态特征影响水位的因素主要有：锅炉蒸发量（负荷D），给水量G，炉膛热负荷（燃烧率M），汽包压力。控制系统的物质平衡方程为：将上式进一步变换得：令，则上式变为：容量系数Ｃ是用来表征锅炉的结构系数的，而它的动态特性则往往用飞升速度或飞升时间来表征。对于汽包炉来说，由飞升速度的定义知：把扰动量即水位变化量转成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位允许变化范围为

200mm，这个范围扰动量的相对极限制为100%。上式中:右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量Ｇ＝0，而蒸发量为最大时，变化量最大，因此有：可见这时的扰动量是下降的。故有：式中:：Dmax——锅炉最大的蒸发量；△Hmax——水位变化允许的范围。飞升时间Ta为：对于蒸发量为100

230t/h的单汽包炉，当水位变化100mm时Ta＝60-30s，对于蒸发量为更大的汽包炉Ta＝30s，它的意义在于当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在30s内将下降200mm或者换句话说，如果给水量减少10%，经过30s的时间，水位将下降20mm。下面分别讨论各种扰动下水位变化的动态特性。（一）给水量扰动下水位变化的动态特性H12て2て1图7-4给水量扰动时水位阶跃响应曲线图7-4中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位动态特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。水位在给水扰动下的传递函数可表示为：水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节串联的形式。用一阶近似表示时：（二）蒸汽流量扰动下水位的动态特性T2tH2(t)H1(t)H(t)H图7-5蒸汽量D扰动下水位阶跃响应曲线如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图7-5中所示那样。其原因负荷增加，在汽水循环回路中蒸发强度也将成比例增加，水面下汽包的容积增加得也很快，此时燃烧量M还来不及增加，汽包中汽压下降，汽泡膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。但实际水位是先上升再下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图中H(t)所示。如图7-5中曲线H2(t)所示。在开始的一段时间H2(t)的作用大于H1(t)。当过了一定时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。T2tH2(t)H1(t)H(t)H图7-5蒸汽量D扰动下水位阶跃响应曲线因此，水位的变化应是上述两者之和,即：传递函数也为两者之代数和：（三）炉膛负荷扰动下水位变化的动态特性此处的炉膛负荷扰动即是指燃料量M的扰动。燃料量增加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些，但其持续时间却更长。为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混和物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，引起虚假水位”现象。影响水位的因素除此之外，还有给水压力，汽包压力，汽轮机调速汽门开度，二次风分配等。不过这些因素几乎都可以用D、M、G的变化体现出来。给水扰动是内扰，其他是外扰。

三、给水自动控制系统的基本要求根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符合以下基本要求：其次，由于对象在蒸汽量D扰动下，水位阶跃反应曲线表现相互有“虚假水位“现象，这种现象反应速度比内扰快，为了克服”虚假水位“现象对控制的不利影响，应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。首先，由于被控对象在给水量G扰动下的水位阶跃反应曲线表现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用调节器以保证系统的稳定性。第三，给水压力是有波动的，为了稳定给水量，应考虑将给水量信号作为反馈信号，用于及时消除内扰。四、前馈－－反馈三冲量给水控制系统

但由于流量G对水位H的影响，其迟延要比蒸汽量D对H的影响要大，用H作为反馈信号去控制不够及时，使得其动态偏差增大。前馈－－反馈复合控制系统能补偿由于外扰D引起的水位变化，克服虚假水位的影响，改善了控制品质，比单冲量反馈控制要优越的多。为了克服这一不足，引入另外一个反馈信号即给水流量信号，构成一个新型的复合控制系统，称作前馈－－反馈三冲量给水控制系统。（一）系统结构前馈－－反馈三冲量给水控制系统的原理框图如图7-6所示，因为系统中只用了一个调节器，而调节器的输入有三个，因此称之为单级三冲量给水控制系统。这种系统与双冲量系统相比，多了一个流量反馈信号，给水量G发生变化时，流量信号自然要比水位信号快得多。HWT(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnGעGעHעDVH-HnGVG-+Vg-+△TVTG++H1H2VDDnDVDVGⅠⅡⅢ图7-6单级三冲量给水控制系统原理框图图中标出的Ⅰ为内回路，II为主回路（外回路），III为前馈通路。（二）调节器正反作用开关及入口信号接线极性图7-6中各信号接入调节器的极性：水位H上升时（VH下降）调节器应关小阀门，是负反馈，所以信号VH的极性为“正接”；HWT(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnGעGעHעDVH-HnGVG-+Vg-+△TVTG++H1H2VDDnDVDVGⅠⅡⅢ图7-6单级三冲量给水控制系统原理框图图中标出的Ⅰ为内回路，II为主回路（外回路），III为前馈通路。当蒸汽量D增大时(VD

也增大)nDVD也增大，调节器应开大阀门，所以nDVD

的极性应是“正接”；当给水流量Ｇ增大时（VG也增大）nGVG也增大，调节器应关小阀门，是负反馈，所以nGVG的极性应是“反接”。内部给定信号Vg与水位信号VH

相平衡，VH

极性为“正”，则Vg的

极性为“负”。HWT(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnGעGעHעDVH-HnGVG-+Vg-+△TVTG++H1H2VDDnDVDVGⅠⅡⅢ图7-6单级三冲量给水控制系统原理框图图中标出的Ⅰ为内回路，II为主回路（外回路），III为前馈通路。（三）控制系统的静态特性参照图7-6，设调节器采用PI调节规律，静态时,输入增量为0,输出为定值，即有如下关系：上式可变为：－Kg

为将给定值电压Vg转化成给定水位HG的转换系数；IH=-γHH－γH为水位测量变送器传递系数，负号表示Ｈ与VH变化方向相反；Ig=KgHgIG=γGGγG——为给水流量测量变送器的传递系数；所以上式可变为：γHH－KgHg＝nDγDD

－nGγGGID=γDDγD——为蒸汽流量测量变送器的传递系数；若忽略排污则有G＝D，上式变为：当D=D0，H=Hg时可得：gH

Hg－KgHg

＝(nDgD

－nGgG)D0（7-2）（7-1）γHH－KgHg＝（nDγD－nGγG）D式7-1与式7-2相减得：依据上式可有以下三个结论：(1)时,H＝Hg，为无差调节。(2)时,Ｄ越大,H与Hg负差值越大。这是一根向下特性曲线。(3)时,D越大,H与Hg正差值越大。这是一根向上的特性曲线。（四）控制系统的参数整定：以给定值－Vg为基值，考虑增量情况，△V=VH+VD，这时可把它当作一单回路来分析。如果把调节器分压系数以外的环节看作是调节对象,那么广义调节对象：内回路等效图如下:是一个近似的比例环节，因此调节器的比例带和积分时间都可以取得很小，具体值可以通过试探法来决定，以保证内回路不振荡为目的。一般取积分时间Ti<=10s,试探过程中可任意设定nG值,得到一满意比例带δ,再次改变nG值,改变时必须保持nG/δ保持不变,即保证内回路的开环放大系数不变。在试探时可将外回路开路,切除水位信号,使VH=0,设置Ti和δ/nG值,手动操作给水阀门,使给水量产生一个阶跃变化后立即投入自动,观察给水量过渡过程曲线形状,能快速稳定即可。主回路中为快速副回路的等效环节，把WD1(S)和עH看作一个等效调节器所控制的对象，则：主回路方框图如下所示:从内、外回路的比例带来看，给水流量的分流系数nG对内外回路的影响正好是相反的，nG若增大，主回路稳定性增强，副回路则减弱，反之则情况相反。另外，WD1(S)的对象特性可用试验方法测得，它实际上就是水位在G扰动下，IH

的变化曲线，从曲线上可求出飞升速度ε，迟延τ，则：

而则是一个常数,这是一个等效比例调节器，比例带：前馈部分对系统稳定性没有影响，因此在整定前馈通路时可以独立考虑：把WB(S)和WT(S)的值代入得：整定的实质就是确定分压系数nD的值。由上式可知：nD为一复杂的动态环节，一般按静态特性整定，即要求在负荷不同的情况下，水位均无静差，如前，其条件为：通常有：故：（3）根据无静差要求，整定nD值，使。（2）根据水位在内扰时的动态特性，整定外回路等效调节器的比例带，即确定nG值，在改变值nG时，要保证已整定好的比值δ/nG不变。综上所述，我们可以得出前馈－－反馈三冲量给水系统的整定步骤：（1）按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求用试凑法整定内回路PI调节器的比例带δ/nG值和积分时间Ti值。第五节串级三冲量给水控制系统实例分析串级三冲量给水控制系统的原理图如下图7-7所示：这个系统中使用了两个调节器，构成串级控制系统。如图示，这个系统也有三个回路：即I为副回路，II为主回路，III为前馈回路。图7-7串级三冲量给水控制系统原理框图WT2(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnGעGעHעDIH-HnGIG-Ig-+IT2G++H1H2IDDnDIDVGⅠⅡⅢWT1(S)+μ下面讨论主、副调节器的参数整定问题：为保证被调量无静差，主调节器采用PI控制规律，副调节器采用PI或P控制规律，副调节器接受三个输入信号，信号之间有静态配合问题，但系统的静态特性由主调节器决定，因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。

副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通路则用于补偿外扰，主要用于克服虚假水位现象。（1）副回路与单级情况一样，可看作是一个随动系统，把调节阀和管道系统作为被调对象，则作为Kf以外的环节都作为等效调节器。图7-7串级三冲量给水控制系统原理框图WT2(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnGעGעHעDIH-HnGIG-Ig-+IT2G++H1H2IDDnDIDVGⅠⅡⅢWT1(S)+μ上式表明，副回路的等效调节器也可看作一个PI规律的调节器。

若的PI调节规律，则：式中：δ2为副调节器的比例带；Ti2为副调节器的积分时间。（2）主回路整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上。把WD1(S)看成是被控对象，其余的环节可看成是等效调节器，则：图7-7串级三冲量给水控制系统原理框图WDZ(S)WD1(S)1/nGγGnDעHעDIH-HIg-+G++H1H2IDDnDIDⅡⅢWT1(S)+若：也是一个PI规律的调节器：（3）前馈通路中nD的选择是基于“虚假水位”情况而定的。前馈通路中完全补偿条件为：若前馈通道的设计只考虑静态补偿，且WD1(S)与WD2(S)的静态比值为一常数K，则有：其中K是虚假水位现象决定的常数，虚假水位现象严重时，K值大，反之K值小。负号表示前馈调节方向与虚假水位方向相反。在负荷开始变化时,为使蒸汽流量信号更好地补偿虚假水位现象,改善负荷扰动时调节过程质量,一般使蒸汽流量信号大大高于给水流量信号,即令K>1。则：第六节带冲击负荷锅炉的给水控制系统承担冲击负荷锅炉,其给水控制系统主要任务是在适应负荷要求的情况下,尽可能降低水位波动,同时使给水量的波动不过于剧烈。在一个电网中,如存在带冲击负荷的设备（如大型轧钢厂）,它们将给电网带来冲击负荷。这就需要某些机组频繁参与调峰,而这种连续的周期性的大幅度负荷升降会引起汽包压力及过热器压力大幅度变化,造成水位剧烈波动,从而是虚假数位更为严重。以下所介绍的系统能完成这一任务。

一、给水流量信号加惯性环节的三冲量给水控制系统

这种系统与单级三冲量控制系统的区别在于它在给水流量反馈回路中加了一个一阶惯性环节，所以在分析内回路时有些不同。其原理方框图如图7-8所示：WT(S)WD2(S)WD1(S)KZKfnDnGעGעHעD-H-+Ig-+G++H1H2D图7-8给水流量加惯性的三冲量给水控制系统方框图

此时内回路不再是一个可以等效的比例环节，而是一个比例微分环节，形如：主回路中WD1(S)对象传递函数通常由惯性环节和积分环节构成，即：则其等效对象：等效调节器：等效对象成为一个无迟延无惯性的纯积分环节，其调节效果将大为改善。这种系统的优劣之处在于：（1