1、于玲浙江大学控制学院2016/04/12换热器控制方案设计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。换热器控制方案设计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 变化频繁换热器控制方案设计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 稳定采用串级控制？采用串级控制？n串级控制需要：n单回路控制不能满足要求；n可测量的副变量n副变量需要满足：n快速反应主要干扰的影响n干扰对副、主变量的影响具有因果关系n调节阀对
2、副、主变量的影响具有因果关系NO!无法采用串级控制！无法采用串级控制！内 容n前馈控制的原理n线性前馈控制的设计n非线性前馈控制n前馈反馈控制系统n应用举例：锅炉的汽包水位控制前馈控制的思想前馈控制的思想D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与被控变量。前馈思想前馈思想：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。线性前馈控制方块图线性前馈控制方块图控制目标：()0()()()()0()YDFFYCDMY sGsGs Gs GsD s()()()()YDFFDMYCGsGsGs Gs 开环讨讨 论论n应用前馈控制的前提条件：n主要干扰可测；n调节阀
3、与被测干扰之间没有因果关系；n干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；n干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。动态前馈控制的可实现性动态前馈控制的可实现性,)()()(sDDYDDesPsQsGsCCYCCesPsQsG)()()(,1)(sTKsGDMDMDMsFFFFDMYCYDFFCDesPsQsGsGsGsG)()()()()()()()()()(),()(1)(sQsPKsPsPsQsTsQCDDMFFCDDMFF可实现的条件可实现的条件sFFFFDMYCYDFFCDesPsQsGsGsGsG)()()()()()()(可实现条件可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶
4、次；（2）CD不满足条件时怎么办？CD若条件（2）不满足，可人为令可实现条件可实现条件：（1）QFF(s)阶次 PFF(s)阶次；（2）可实现的条件可实现的条件CD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sFFFFFFesTsTKsG11)(12sFFFFDMYCYDFFCDesPsQsGsGsGsG)()()()()()()(举例：换热器的线性前馈控制举例：换热器的线性前馈控制2()%()()1/DsmDYDFDTsKGseRsT sT hr2()%()()1%MsmMYCVspMTsKGseRsT s%()/DM
5、DTGsKT hr7.8()expexp0.5131DYDDDKGsssT ss 2.0()expexp0.216.31MYCMMKGsssT ss换热器的线性前馈控制（续）换热器的线性前馈控制（续）()1()1DMsDMFFDTMDKT sGseKKT s%()4.0/DMDTGsKT hr采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：6.31%()0.975exp0.331%FFsGsss线性前馈控制的仿真线性前馈控制的仿真有余差怎么办？前馈加反馈控制前馈加反馈控制前馈反馈控制的仿真前馈反馈控制的仿真非线性稳态前馈控制非线性稳态前馈控制稳态平衡关系：VVFpRHTTRc)(12pVvspFv
6、spVcHKTTRKR/,)(112非线性系统的动态前馈补偿非线性系统的动态前馈补偿)()(sgKsGFFFFFF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。非线性动态前馈控制器非线性动态前馈控制器211()spspVFvRRTTKT1RFT2spRVspkv)()(12sgsg)()(13sgsg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。）前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 前前 馈馈 控控 制制
7、反反 馈馈 控控 制制扰动可测，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换热器控制方案设计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 前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案1前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案2特点：可克服对象的
8、非线性，或具有变增益控制器的功能。212()1pFVVVFc RTTH RTRR控制器参数如何整定？数字数字PID的实现的实现如何实现串级/前馈？锅炉设备的工艺流程锅炉设备的工艺流程哪些过程变量需要控制？1、安全性 2、用汽需要3、平稳操作4、经济燃烧锅炉控制问题锅炉控制问题MVs 与 CVs 如何配对?锅炉的控制问题锅炉的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备系统分解：（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。锅炉汽包水位控制问题锅炉汽包水位控制问题n被控变量：汽包水位 H(s)n操作变量：给水流量 G(s
9、)n主要干扰：用汽量 D(s)汽包水位的对象特性汽包水位的对象特性DHH 0HH 2H 1ttGHHH 1tt干扰通道特性控制通道特性1)()(221sTKsKsDsHsesKsGsH0)()(非自衡非自衡非最小相位特性非最小相位特性1)()(221sTKsKsDsH)1()1()1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT如果存在位于复平面右半平面的零点，即02120TKKT非最小相位系统汽包水位的单冲量控制汽包水位的单冲量控制0501001502002503003504004849505152Drum Level%050100150200250300
10、35040045505560Feedwater Flow%Time,minSteam Flow increasesfrom 10 T/hr to 11 T/hr怎么办？怎么办？双冲量控制方案双冲量控制方案 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。双冲量控制方框图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。-双冲量控制双冲量控制C1、C2和和C0的数值设置的数值设置vGKumaxminmaxssDIZZQ假设线性阀门：流量测量变送的：22maxminmaxvvsvsDGKuK CIK CZZQ取GD minmaxmax2ZZKQCvsC1一般取值为1。C0为恒值，正常工况下与C2PF抵消。汽包水位的三冲量控制方案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。012spLSFCC IC I汽包水位的三冲量控制汽包水位的三冲量控制三冲量控制的简化连接法三冲量控制的简化连接法过热蒸汽温度控制过热蒸汽温度控制
