过程控制工程第5章前馈控制系统.ppt

第5章 前馈及比值控制Feedforward and Ratio Control 王红旗 河南理工大学电气工程学院 2012/09/12 内 容 前馈控制（2学时） 前馈控制的原理； 非线性静态前馈控制的设计方法； 前馈控制系统的动态补偿； 前馈反馈控制系统； 比值控制（一种特殊前馈控制） （2学时） 比值控制问题的由来； 常用的比值控制方案与系统结构； 流量比值与比值器参数的关系； 变比值控制系统的特点与应用场合； 一般的单回路控制系统 反馈控制的优缺点 换热器的控制方案 换热器的控制方案(续) 换热器的控制方案(续) 前馈控制的概念 前馈控制方块图 前馈不变性原理 动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。 稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与扰动量d(t)无关。 静态前馈控制 控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。 静态前馈控制方式： 线性静态前馈： 非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。 非线性静态前馈控制 前馈控制的动态补偿 非线性系统的动态前馈补偿 前馈控制与反馈控制的比较 换热器的前馈反馈控制方案1 换热器的前馈反馈控制方案2 换热器反馈控制系统举例 换热器前馈反馈控制系统 #1 换热器前馈反馈控制系统 #2 结 论 引入前馈控制的可能应用场合： （1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重， 常规反馈控制系统难以满足要求。 应用前馈控制的前提条件： （1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。 思考题 比值控制系统案例--溶液配制问题 一般的比值控制问题 开环比值控制系统 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 变比值控制系统 变比值控制系统 比值系数折算 比值控制系统方案1 比值控制方案2 比值控制系统方案3 换热器温度变比值控制系统 换热器变比值串级控制仿真 比值控制注意问题--开方器选用 比值控制注意问题—动态跟踪 比值控制注意问题--逻辑提降 调节器正反作用* 调节器正反作用* 思考题 稳态条件: IA = K1 IB 假设流量测量变送环节为线性对象（对于用孔板测量的信号须经开方运算）。 稳态条件: K2 IA = IB 稳态条件: K3 = IA / IB 存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出现“除零”运算。 当用差压法测流量时： 静态增益： 是稳态工作点流量。 可见，差压变送器的增益正比于流量，影响系统动态品质： 小负荷时系统稳定，大负荷时稳定性下降，甚至不稳定。如 果差压变送器先经过开方再输出，则成为线性环节，增益与 流量大小无关，系统动态性能不受负荷大小的影响。精度要 求一般且负荷变化不大时，可不用开方器；否则必须设置开 方器。 要求稳态和动态过程中，都要保持比值一定，图见教材P75. 主副流量比值： 要求： 所以： 对于线性变送器： 动态补偿式： 功能: (1) 正常工况下实现锅炉蒸汽压力对燃料流量的串级控制，以及燃料与空气流量的比值控制。 (2) 为实现节能减排目的，提负荷时先提空气，而降负荷时先降燃料量。 分析要点：蒸汽压力控制器是反作用的，保持使系统燃烧充分，节约能源。 * * 操纵变量的选择原则： 控制通道：时间常数较小，纯滞后尽量小，响应灵敏；扰动通道：时间常数较大，纯滞后无所谓，响应较慢。 对误差校正不及时 克服环内所有扰动 被控量可测 鲁棒性强 有差补偿 对过程模型依赖性弱 缺点 优点 问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求，如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？ D1，……，Dn为可测扰动；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，直接改变操纵变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。 u (t)、y (t) 分别表示控制变量与被控变量； d (t) 表示某一外部干扰; GYD(s)、GYC(s)分别为干扰通道与控制通道的动态特性； GFF(s)为前馈控制器的动态特性。 控制目标： 稳态平衡关系： 讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为 这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静