1、前馈控制与锅炉汽包水位控制戴连奎浙江大学控制学院 2016/05/12前馈控制内容n前馈控制的概念n线性前馈控制器的设计n非线性前馈控制器的设计n前馈反馈控制策略n小结问题讨论某一换热器如右图所示，要求采用蒸汽流量RV 控制工艺介质的出口温度 T2。试依据下列情况设计相应的控制方案：情况情况#1：工艺介质流量 RF 与蒸汽入口压力 PV 均比较稳定；情况情况#2：RF 稳定，而 PV 变化频繁；情况情况#3：RF 变化频繁，而 PV 比较稳定；情况情况#4：RF 与 PV 均变化频繁。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前馈控制的一般概念D1(t),Dn(t)表示某些可测量、且对
2、被控变量CV影响显著的干扰 前馈控制的基本原理：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。线性前馈控制器的设计设计目标：()()()()()()0mYDYCFFDMYsGsGs Gs GsD s线性前馈控制器设计（续）前馈控制器设计公式：()()()()YDFFYCDMGsGsGs Gs()()()()()()0mYDYCFFDMYsGsGs Gs GsD s设计目标：线性前馈控制器设计（续）()()()()YDFFYCDMGsGsGs Gs ssTKsGDYDYDYDexp1)(ssTKsGCYCYCYCexp1)
3、(DMDMKsG)(ssTsTKsGFFYDYCFFFFexp11)(DMYCYDFFKKKKCDFF,0max(为什么?)前馈控制器设计公式：物理意义分析前馈控制器的类型n静态前馈控制与动态前馈控制常见的线性前馈控制器：ssTsTKsGFFYDYCFFFFexp11)(DMYCYDFFKKKKn线性前馈控制与非线性前馈控制换热器出口温度线性前馈控制的仿真结果4050607080901001101203233343536373839404142Time,min%Output of TransmitterWithout Feedforward Control Steady-State Feedf
4、orward Control Dynamic Feedforward Control Weak Dynamic Feedforward Control Strong Dynamic Feedforward Control 详见仿真模型/FFControl/ExHeaterLinearFFC.mdl非线性静态前馈控制方案静态数学模型VVFpRHTTRc)(12pVvspFvspVcHKTTRKR/,)(112非线性静态前馈控制仿真详见换热器出口温度的前馈仿真模型/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl前馈控制与反馈控制的比较前馈控制前馈控制反馈控制反馈控制相关干扰可测量C
5、V 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、时变系统换热器前馈反馈控制方案#1FFC输出初值如何设置？换热器前馈反馈控制方案#2控制器参数如何整定？换热器前馈反馈控制方案#3由于换热器的稳态方程为FpVVRcRHTT122122/,VpVFTTHcRRRR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?小 结n可能引入前馈控制的场合(1)基本的被控变量不可测(2)基本的被控变量可测，但
6、某些干扰太强以至于反馈控制系统难以满足工艺要求n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，动态时空气富裕锅炉空燃比控制方案带有O2调节的双交叉控制汽包水位控制问题n被控变量：汽包水位 H(s)n操作变量：给水流量 F(s)n主要干扰：燃烧发汽量与用汽量（基
7、本平衡）D(s)为什么说它是一个困难的控制问题？虚假水位现象汽包水位对象特性分析DHH 0HH 2H 1tt干扰通道特性物理意义分析控制通道特性1)()(221sTKsKsDsH0()()sKH seF ss近似模型?非最小相位系统及其特性1)()(221sTKsKsDsH1021 2122(1)()(),()(1)(1)KT sKK T sKH sD ss T ss T s2120TKKT在复平面的右半平面将存在零点，如果 02120TKKT具有上述特点的过程称为“非最小相位系统”单冲量控制方案单回路PID控制0501001502002503003504004849505152Drum Le
8、vel%05010015020025030035040045505560Feedwater Flow%Time,minSteam Flow increasesfrom 10 T/hr to 11 T/hr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。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。012spLSFCC IC I三冲量控制仿真示例050100150200250300350
9、4004849505152Drum Level%05010015020025030035040045505560Feedwater Flow%Time,minThree-element controlSetpointOne-element controlSteam Flow increases from 10 T/hr to 11 T/hr 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?小结n锅炉汽包液位控制的难点：控制通道存在非最小相位特性n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n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n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。下一讲：多变量系统的耦合与解耦n相对增益的概念n相对增益矩阵的计算n多变量系统CVs与MVs的配对原则 n基于文块图的线性解耦器设计n基于过程机理的非线性解耦器设计n应用举例;,21221121FFFCFCCFFF问题讨论对于右图所示的两输入两输出被控系统，被控变量为C、F，操作变量为F1、F2，试设计控制方案。这里假设;12,141,15.05seCAsCCsFFsmm%.40%,60,25,75210201CCFF初态：
