1、前馈控制系统 Feedforward Control 1 上一讲内容回顾 n介绍了串级控制系统的概念与特点； n结合控制原理，具体分析了串级系统的 抗干扰性能； n讨论了串级控制系统的设计原则； n介绍了串级控制系统的防积分饱和； n介绍了串级控制系统的投运。 2 课堂提问1 n相比反馈控制，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？ n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？ 3 控制器的正反作用 选择 课堂提问2 4 n试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动； n试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的 非线性。 课堂提问3 5
2、 课堂提问4 1、如果加热蒸汽 压力波动导致 单回路控制效 果不理想，怎 么办？ 2、如果工艺介质 流量波动导致 控制效果不理 想，怎么办？ 6 内 容 n前馈控制的原理 n线性前馈控制的设计 n非线性前馈控制 n前馈反馈控制系统 7 换热器的反馈控制 假设主要干扰为RF，T1 8 单回路控制的仿真 9 采用串级控制？ n串级控制需要： n单回路控制不能满足要求； n可测量的副变量 n副变量需要满足： n快速反应主要干扰的影响 n干扰对副、主变量的影响具有因果关系 n调节阀对副、主变量的影响具有因果关系 NO! 无法采用串级控制！ 10 换热器的前馈控制方案 11 前馈控制的思想 D1，Dn为
3、 可测扰动；u，y 分别为被控对象 的操作变量与受 控变量。 前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作 变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。 12 原理分析 根据不变性原理，当扰动F(s)变化时，对被控变量 无影响，即与扰动变化无关 13 静态前馈和动态前馈 n前馈控制分为静态前馈和动态前馈两类 n假设 n前馈控制器传递函数 14 举例：换热器的前馈控制 稳态工作点：T1=20， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180。 假设：T2温度测量变送的量 程为100-300，RV和RF的 量程分别为0 5 T/hr和0 25 T/hr。 15 换热器的线性前馈
4、控制 16 换热器的线性前馈控制（续） 采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型： 17 线性前馈控制的仿真 有余 差 18 前馈加反馈控制 19 前馈反馈控制的仿真 20 非线性稳态前馈控制 稳态平衡关系： 21 非线性系统的动态前馈补偿 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动 态两部分： 对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线 性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处 理。 22 非线性动态前馈控制器 动态前馈控制器 （g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp 、T1、RF对系统输出T2的通道特 性的动态部分。） 23 在反馈控制的基础上，针对主要干扰进
5、行前馈补偿。 既提高了控制速度，又保证了控制精度。 反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要 求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。 在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定 性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精 度的控制。而前馈反馈控制系统既可实现高精度控制 ，又能保证系统稳定运行。 复合控制系统具有以下优点： 24 系统引进前馈控制必须遵循的原则： 1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克 服、控制要求高时； 2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差； 3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时 ； 4）尽
6、可能采用静态补偿而不采用动态补偿。 25 前馈控制与反馈控制的比较 前 馈 控 制 反 馈 控 制 扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测 超前调节，可实现系统输出的不 变性（但存在可实现问题） 按偏差控制，存在偏差才能调节 （滞后调节） 开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动 对于干扰与控制通道的动态模型 ，要求已知而且准确 对通道模型要求弱，大多数情况 无需对象模型 对时变与非线性对象的适应性弱 对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强 26 前馈反馈控制方案1 27 前馈反馈控制方案2 特点：可克服对象的非线性，或具有变增
7、益控制器的功能。 28 讨 论 n引入前馈控制的可能应用场合： n常规反馈控制系统难以满足要求； n干扰可测。 n应用前馈控制的前提条件： n主要干扰可测； n调节阀与被测干扰之间没有因果关系； n干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； n干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。 29 本章作业： 1. 如图示加热炉，采用控制燃料气流量来保证加热炉出口温度恒定。 1) 若进料量是主要扰动且不可控制时，设计合理的控制方案，并作简要 说明。 2) 当燃料气阀前压力是是主要扰动且不可控时，设计合理的控制方案， 并作简要说明。 30 31 2. 某前馈-串级控制系统如图所示。已知： 求：（1）绘出
8、该系统方框图。（2）计算前馈控制器的数学 模型。3）假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正/反 作用。 32 3. 判断系统类型 33 4. 在如图所示的锅炉三冲量液位控制系统中， 1）三冲量是指哪三个冲量？在图中画出控制系统流程图 2）画出其控制系统方框图； 3）从保护锅炉的角度，选择阀门开关型式； 4）在图中标明各环节传函的正负符号； 5）确定调节器的正反作用； 6）简述蒸汽负荷增大时和供水压力增加时系统分别如何 进行调节。 34 5.分析系统 35 课前题目： (15分)如左下图所示为聚合釜温度控制系统。试问： （1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方框图； （2）如果聚合釜的温度
9、不允许过高，否则易发生事故，试 确定控制阀的气开、气关型式； （3）确定主、副控制器的正、反作用； （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程； （5）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统 ，请在右下图画出它的原理图，并确定主、副控制器的正、 反作用。 36 练习题 下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出 口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择 哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 与蒸汽阀前压力PV 均比较稳定； （2）介质流量GF 比较稳定，但压力PV 波动较大； （3）蒸汽压力PV 比较稳定，但介质流量GF 波动较大。 37
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