過(guò)程控制中的前饋控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)

FeedforwardControl1a上一講內(nèi)容回顧介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；結(jié)合控制原理，具體分析了串級(jí)系統(tǒng)的抗干擾性能；討論了串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和；介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)。2a課堂提問(wèn)1相比反饋控制，串級(jí)控制更有效抑制干擾，因此在控制方案選擇時(shí)應(yīng)首選串級(jí)控制？串級(jí)能夠有效抑制副回路中的干擾，因此應(yīng)選擇能包含最多干擾的那個(gè)變量作為副變量？3a控制器的正反作用選擇課堂提問(wèn)24a試分析串級(jí)控制為何能有效抑止二次擾動(dòng)；試分析串級(jí)系統(tǒng)為何能克服副對(duì)象和調(diào)節(jié)閥的非線性。課堂提問(wèn)35a課堂提問(wèn)41、如果加熱蒸汽壓力波動(dòng)導(dǎo)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(dòng)導(dǎo)致控制效果不理想，怎么辦？6a內(nèi)容前饋控制的原理線性前饋控制的設(shè)計(jì)非線性前饋控制前饋反饋控制系統(tǒng)7a換熱器的反饋控制假設(shè)主要干擾為RF，T18a單回路控制的仿真9a采用串級(jí)控制？串級(jí)控制需要：?jiǎn)位芈房刂撇荒軡M足要求；可測(cè)量的副變量副變量需要滿足：快速反應(yīng)主要干擾的影響干擾對(duì)副、主變量的影響具有因果關(guān)系調(diào)節(jié)閥對(duì)副、主變量的影響具有因果關(guān)系NO!無(wú)法采用串級(jí)控制！10a換熱器的前饋控制方案11a前饋控制的思想D1，……，Dn為可測(cè)擾動(dòng)；u，y分別為被控對(duì)象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動(dòng)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(dòng)的影響。12a原理分析根據(jù)不變性原理，當(dāng)擾動(dòng)F(s)變化時(shí)，對(duì)被控變量無(wú)影響，即與擾動(dòng)變化無(wú)關(guān)13a靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋前饋控制分為靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋兩類假設(shè)前饋控制器傳遞函數(shù)14a舉例：換熱器的前饋控制穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：T1=20℃，RF=10T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180℃。假設(shè)：T2溫度測(cè)量變送的量程為100-300℃，RV和RF的量程分別為0~5T/hr和0~25T/hr。15a換熱器的線性前饋控制16a換熱器的線性前饋控制（續(xù)）采用階躍響應(yīng)方法測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型：17a線性前饋控制的仿真有余差18a前饋加反饋控制19a前饋＋反饋控制的仿真20a非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系：21a非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償對(duì)于線性系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩部分：對(duì)于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對(duì)象的非線性靜態(tài)模型計(jì)算得到，而動(dòng)態(tài)部分同樣可按線性對(duì)象處理。22a非線性動(dòng)態(tài)前饋控制器動(dòng)態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對(duì)系統(tǒng)輸出T2的通道特性的動(dòng)態(tài)部分。）23a①在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。②反饋控制回路的存在，降低了對(duì)前饋控制器的精度要求，有利于簡(jiǎn)化前饋控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。③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(duì)矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的控制。而前饋——反饋控制系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：24a系統(tǒng)引進(jìn)前饋控制必須遵循的原則：

1）系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測(cè)不可控的干擾，反饋控制難以克服、控制要求高時(shí)；2）控制通道時(shí)常大于干擾通道時(shí)常，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差；3）主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或副回路滯后過(guò)大時(shí)；4）盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。25a前饋控制與反饋控制的比較

前饋控制

反饋控制擾動(dòng)可測(cè)，但不要求被控量可測(cè)被控量直接可測(cè)超前調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)）開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問(wèn)題系統(tǒng)僅能感受有限個(gè)可測(cè)擾動(dòng)系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動(dòng)對(duì)于干擾與控制通道的動(dòng)態(tài)模型，要求已知而且準(zhǔn)確對(duì)通道模型要求弱，大多數(shù)情況無(wú)需對(duì)象模型對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性弱對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性與魯棒性強(qiáng)26a前饋反饋控制方案127a前饋反饋控制方案2特點(diǎn)：可克服對(duì)象的非線性，或具有變?cè)鲆婵刂破鞯墓δ堋?8a討論引入前饋控制的可能應(yīng)用場(chǎng)合：常規(guī)反饋控制系統(tǒng)難以滿足要求；干擾可測(cè)。應(yīng)用前饋控制的前提條件：主要干擾可測(cè)；調(diào)節(jié)閥與被測(cè)干擾之間沒(méi)有因果關(guān)系；干擾通道的響應(yīng)速度比控制通道慢，至少應(yīng)接近；干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)特性變化不大。29a本章作業(yè)：1.如圖示加熱爐，采用控制燃料氣流量來(lái)保證加熱爐出口溫度恒定。1)若進(jìn)料量是主要擾動(dòng)且不可控制時(shí)，設(shè)計(jì)合理的控制方案，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。2)當(dāng)燃料氣閥前壓力是是主要擾動(dòng)且不可控時(shí)，設(shè)計(jì)合理的控制方案，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。30a31a2.某前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)如圖所示。已知：求：（1）繪出該系統(tǒng)方框圖。（2）計(jì)算前饋控制器的數(shù)學(xué)模型。3）假定控制閥為氣開(kāi)式，試確定各控制器的正/反作用。32a3.判斷系統(tǒng)類型33a4.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(gè)沖量？在圖中畫(huà)出控制系統(tǒng)流程圖2）畫(huà)出其控制系統(tǒng)方框圖；3）從保護(hù)鍋爐的角度，選擇閥門開(kāi)關(guān)型式；4）在圖中標(biāo)明各環(huán)節(jié)傳函的正負(fù)符號(hào)；5）確定調(diào)節(jié)器的正反作用；6）簡(jiǎn)述蒸汽負(fù)荷增大時(shí)和供水壓力增加時(shí)系統(tǒng)分別如何進(jìn)行調(diào)節(jié)。

34a5.分析系統(tǒng)35a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(wèn)：（1）這是一個(gè)什么類型的控制系統(tǒng)？試畫(huà)出它的方框圖；（2）如果聚合釜的溫度不允許過(guò)高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式；（3）確定主、副控制器的正、反作用；（4）簡(jiǎn)述當(dāng)冷卻水壓力變化時(shí)的控制過(guò)程；（5）如果選擇夾套內(nèi)的水溫作為副變量構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，請(qǐng)?jiān)谟蚁聢D畫(huà)出它的原理圖，并確定主、副控制器的正、反作用。36a練習(xí)題下圖所示的換熱器采用蒸汽加熱工藝介質(zhì)，要求介質(zhì)出口溫度達(dá)到規(guī)定的控制指