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前馈控制 与锅炉汽包水位控制 戴连奎 浙江大学控制学院 2017/04/27
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前馈控制内容 前馈控制的概念 线性前馈控制器的设计 非线性前馈控制器的设计 前馈反馈控制策略 小结
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反馈控制与前馈控制方案举例 反馈控制方案 前馈控制方案
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前馈控制的一般概念 D1(t), …, Dn(t) 表示某些可测量、且对被控变量CV影响显著的干扰 前馈控制的基本原理：
在这些可测干扰影响CV以前，同时调节操作变量MV以抵消这些干扰的影响，最终使CV维持不变或基本不变。
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线性前馈控制器的设计 设计目标：
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线性前馈控制器设计（续） 设计目标： 前馈控制器设计公式：
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线性前馈控制器设计（续） 前馈控制器设计公式： 物理意义分析 ( 为什么 ? )
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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
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详见仿真模型…/FFControl /ExHeaterLinearFFC.mdl
换热器出口温度 线性前馈控制的仿真结果 详见仿真模型…/FFControl /ExHeaterLinearFFC.mdl
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非线性静态前馈控制方案 静态数学模型
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前馈控制与反馈控制的比较 前馈控制 反馈控制 相关干扰可测量 CV 可测量 基于干扰操作 MV 基于CV控制误差操作 MV
开环，无稳定性问题 闭环，稳定性至关重要 只有部分干扰可检测 全部干扰均通过CV可感受 控制通道与相关干扰通道的精确数学模型均需要获得 不需要对象的数学模型 不适合于非线性、时变系统 可适合于非线性、时变系统
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换热器前馈反馈控制方案#1 FFC输出初值如何设置？
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换热器前馈反馈控制方案#2 控制器参数如何整定？
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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
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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
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前馈控制应用举例 ——锅炉汽包液位控制 戴连奎 浙江大学控制学院 2016/05/12
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基本锅炉控制问题 设计控制系统以满足 （1）安全性： 液位控制、空气/燃料流量比值控制 （2）满足用户需求： 蒸汽压力控制
（3）有效且经济燃烧 空气/燃料比值稳态时基本不变，动态时空气富裕
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锅炉空燃比控制方案 带有O2调节的双交叉控制
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为什么说它是一个困难的控制问题？虚假水位现象
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 F (s) 主要干扰：燃烧发汽量与用汽量（基本平衡） D (s) 为什么说它是一个困难的控制问题？虚假水位现象
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干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性
汽包水位对象特性分析 干扰通道特性—物理意义分析—控制通道特性 近似模型?
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非最小相位系统及其特性 在复平面的右半平面将存在零点，如果 具有上述特点的过程称为“非最小相位系统”
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单冲量控制方案 单回路PID控制
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双冲量控制方案 问题讨论 （1）指出其控制策略 ? （2）画出其控制方块图
（3）选择控制器LC11的正反作用，C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1 = 1。
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三冲量控制方案 问题讨论 （1）指出其控制策略 ? （2）画出其控制方块图
（3）选择控制器LC11的正反作用，C2的符号与大小，假设给水阀为气关阀，且C1 = 1。
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三冲量控制仿真示例
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分析两种连接法对应的控制策略，它们存在什么区别 ?
三冲量控制的两种简化连接法 分析两种连接法对应的控制策略，它们存在什么区别 ?
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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。
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下一讲：非线性增益补偿 与中和过程pH控制
(1) 对于换热器工艺介质出口温度控制系统而言，可能存在哪些导致控制通道非线性的因素？如何补偿这些非线性因素？ (2) 分析中和反应pH控制困难的原因，并提出改进方案
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