前馈控制系统 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所.

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1 前馈控制系统 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

2 串级控制中积分饱和现象讨论

3 串级控制中的抗积分饱和方法

4 换热器控制方案设计1 图示换热器，要求控制工艺介质的出口温度 T2保持稳定。假设工艺介质流量 RF 和入口温度T1以及蒸汽入口压力 PV 均比较稳定，试设计控制方案。

5 描述控制系统是如何运作的？控制变量、被控变量、操纵变量是什么？广义对象的输入和输出？调节阀的气开气关特性，控制器正反作用？

6 换热器控制方案设计2 假设工艺介质流量 RF 和入口温度T1稳定，蒸汽入口压力 PV 变化频繁

7 描述控制系统是如何运作的？控制变量、被控变量、操纵变量是什么？广义对象的输入和输出？调节阀的气开气关特性，控制器正反作用？

8 换热器控制方案设计3 假设工艺介质流量 RF变化频繁，蒸汽入口压力 PV 稳定

9 采用串级控制？ 串级控制需要： 副变量需要满足： 无法采用串级控制！ 单回路控制不能满足要求； 可测量的副变量 快速反应主要干扰的影响
干扰对副、主变量的影响具有因果关系 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 前馈控制

11 内 容 前馈控制的原理 线性前馈控制的设计 非线性前馈控制 前馈反馈控制系统 应用举例：锅炉的汽包水位控制

12 前馈控制的思想 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，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。

13 线性前馈控制方块图 开环 控制目标：

14 讨 论 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。

15 动态前馈控制的可实现性

16 可实现的条件 可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） 不满足条件时怎么办？ 若条件（2）不满足，可人为令

17 可实现的条件 可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2）
若条件（1）不满足，可令TDM = 0，而GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。 工业系统中常用的动态前馈控制器为

18 举例：换热器的线性前馈控制

19 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：

20 线性前馈控制的仿真 有余差 怎么办？

21 前馈加反馈控制

22 前馈＋反馈控制的仿真

23 前馈控制器的类型 静态前馈控制与动态前馈控制 常见的线性前馈控制器： 线性前馈控制与非线性前馈控制

24 换热器出口温度 线性前馈控制的仿真结果

25 非线性稳态前馈控制 稳态平衡关系： 红框中Rv的设定值是由T2的设定值计算出来的。这样当T1和Rf发生变化时Rv的设定值也发生变化，蒸汽调节阀调节使得Rv与新的设定值相等， 即用Rv的设定值带入平衡关系式，可得T2等于T2的设定值，也就是始终保持T2稳态时等于设定值。

26 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。

27 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。）

28 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

29 换热器控制方案设计4 假设工艺介质流量 RF 和入口温度T1，蒸汽入口压力 PV均变化频繁

30 前馈反馈控制方案1

31 前馈反馈控制方案2 特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。 控制器参数如何整定？
反馈使前馈能克服其它干扰；前馈可看作是反馈控制器的一部分，它是非线性控制器，可补偿对象的非线性。 特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。

32 换热器前馈反馈控制方案#3 假设主要干扰来自于PV, RF；如何改善换热器出口温度的控制性能 ? 由于换热器的稳态方程为

33 小 结 可能引入前馈控制的场合 运用前馈控制的条件 (1) 基本的被控变量不可测
(2) 基本的被控变量可测，但某些干扰太强以至于反馈控制系统难以满足工艺要求 运用前馈控制的条件 (1) 主要干扰是可测的 (2) 干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度 (3) 干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的，或者是可抵消的

34 锅炉设备的工艺流程 哪些过程变量需要得到控制？ 1、安全性 2、用汽需要 3、平稳操作 4、经济燃烧 锅炉可分为燃油、燃气和燃煤
简单讲述锅炉的工艺过程

35 锅炉控制问题 MVs 与 CVs 如何配对 ?

36 锅炉的控制问题 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。

37 锅炉汽包水位控制问题 被控变量：汽包水位 H (s) 操作变量：给水流量 G (s) 主要干扰：用汽量 D (s)

38 汽包水位的对象特性 非自衡 控制通道特性 干扰通道特性 由于蒸汽负荷变化导致汽包内压力瞬时变化，从而造成虚假水位的情况。
左图中H1是不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化，H2是只考虑水面下气泡容积变化时的水位变化。 右图中的纯滞后是由于给水温度低于汽包内饱和水温，从而导致水面下气泡破裂。新加入的水用于填补气泡破裂造成的空间。温差越大，滞后时间越长。 非自衡

39 非最小相位特性 如果存在位于复平面右半平面的零点，即 非最小相位系统

40 汽包水位的单冲量控制 对于停留时间长、负荷变化小的锅炉，配上联锁报警装置勉强可用。 怎么办？

41 双冲量控制方案 问题讨论 （1）如何进行控制的? （2）画出其控制方框图 （3）选择控制器LC11的正反作用
（4）确定 C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1 = 1。

42 双冲量控制方框图 - 前馈补偿原理：C2的符号由调节阀的作用决定，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。

43 双冲量控制 ——C1 、C2和C0的数值设置 假设线性阀门： 流量测量变送的： 取 C1一般取值为1。C0为恒值，
正常工况下与C2Is抵消。

44 汽包水位的三冲量控制方案 问题讨论 （1）如何进行控制的? （2）画出其控制方块图 （3）选择控制器LC11的正反作用
（4）确定 C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1 = 1。

45 三冲量控制仿真示例

46 汽包水位的三冲量控制 当调节阀为气关阀时两个控制器的正反作用？（FC正，LC反）

47 三冲量控制的简化连接法

48 过热蒸汽温度控制 扰动多、控制通道滞后大 右图中设置流量回路可减小液位控制系统对过热蒸汽控制的干扰

49 小结 锅炉汽包液位控制的难点：控制通道存在非最小相位特性 无论是双冲量控制，还是三冲量控制，均引入发汽量（即蒸汽流量）作为前馈信号
该前馈反馈控制系统应用成功的关键在于：其前馈模型（进水量 = 发汽量）简单明确 当前馈模型难以建立，或对应的实际过程特性可能变化较大时，前馈控制就难以应用。

50 下一讲 面向工艺需求的控制方案 选择控制（超驰控制） 分程与阀位控制
选择控制的概念，选择控制方案的设计原理与抗积分饱和，难点：选择控制如何自动实现平稳切换？ 分程与阀位控制 分程控制与阀位控制的概念，分程控制方案的设计原理，分程点如何选择，应用场合