前馈控制与锅炉汽包水位控制课件

F2SP
FC
F2m
02
FT 02
F2, C2
u1
AC
ASP 11 Am
AT 11
u2
FC
03 FSP Fm
FT 03
C
F
初态： F10 75, F20 25, C1 60%, C2 40%.
三冲量控制方案
D(t)
蒸汽
H(t) 汽 包
省 煤 器
F(t)
Lsp
LT Lm 11
LC IL 11
FT 02
IS
∑
Fsp
FC Fm FT
01
01
u
给水
Fsp C0 C1I L C2 IS
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。
Time, min
双冲量控制方案
汽H 包
蒸汽
D (t)
Lsp
LT
LC
11 Lm 11 IL
FT 32
IS
∑
省煤器
F (t)
u
给
u = C1IL +C2IS+C0
水
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。
广义被控对象
ym (t)
线性前馈控制器设计（续）
D (t)
干扰
Dm (t)
FFC
u(t)
测量单元
前馈控制器
GDM (s)
GFF (s)
干扰通道 GYD (s)
＋
控制通道
＋
GYC (s)
广义被控对象
ym (t)
设计目标：
前馈控制器设计公式：
Ym (s) D(s)
GYD (s)
GYC
(s)GFF
(s)GDM
换热器
凝液
FFC输出初值 如何设置？
蒸汽
RV
T2m
TT 11
T2
工艺 介质
换热器前馈反馈控制方案#2
u2
＋
FFC
∑
×
k1
－
T1m
RFm
TT
FT
12
31
T1
RF
T2sp
TC 11
蒸汽
RVsp FC 32 u
FT
RVm 32
换热器
凝液
RV
T2m
TT 11
T2
工艺 介质
控制器 参数如 何整定 ？
换热器前馈反馈控制方案#3
Fsm
Lm
∑
Fwm
Lmc= C1Lm+C2Fsm +C3Fwm+C0
LC 11 Lsp
u
水 LT 蒸 FT 给 FT 位 11 汽 02 水 01
Lm
Lsp LC
Fsm
11
IC
Fwm
∑
u = C1IC +C2Fsm +C3Fwm+C0
分析两种连接法对应的控制策略， 它们存在什么区别 ?
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
49
Setpoint
One-element control
48
0
50
100 150 200 250 300 350 400
Feedwater Flow 60
55
50
45
0
50
100 150 200 250 300 350 400
Time, min
三冲量控制的两种简化连接法
水 LT 蒸 FT 给 FT 位 11 汽 02 水 01
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
反馈控制与前馈控制方案举例
T1 RF
蒸汽
PV u
RV
换热器
凝液
反馈控制方案
T2sp
TC 11
T2m
TT 11
T2
工艺 介质
T2sp
PV
FFC
T1m
RFm
TT
FT
12
31
u RV
蒸汽
T1
RF
换热器
换热器出口温度 线性前馈控制的仿真结果
42
Strong Dynamic
41
Feedforward Control
40
39
Output of Transmitter Dynamic Feedforward Control
Steady-State Feedforward Control
38 Weak Dynamic Feedforward Control
1 1
exp
FF
s
物理意义 分析
K FF
KYD KYC K DM
FF max 0, D C
( 为什么 ? )
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：
GFF
(s)
K FF
TYC s TYD s
1 1
exp
FF
s
K FF
KYD KYC K DM
线性前馈控制与非线性前馈控制
(s)
0
GFF
(s)
GYC
GYD (s) (s)GDM
(s)
线性前馈控制器设计（续）
前馈控制器设计公式：
GDM
(s)
KDM
GFF
(s)
GYC
GYD (s) (s)GDM
(s)
GYD
(
s)
KYD TYD s
1
exp
D
s
GYC
(s)
KYC TYC s
1
exp
C
s
GFF
(s)
K FF
TYC s TYD s
反馈控制
CV 可测量 基于CV控制误差操作 MV 闭环，稳定性至关重要 全部干扰均通过CV可感受
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#1
＋
FFC
∑
×
k1
－
T1m
RFm
TT
FT
12
31
T1
RF
T2sp
TC 11
RVsp
∑
FC 32
u
FT
RVm 32
锅炉供水
VW
工业 锅炉
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
D F
t
H
H2
H0 Ht H1
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
H
近似 模型?
t
H1 H
τ t
H (s) K0 e s F(s) s
非最小相位系统及其特性
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
31
T1
RF
PV
FC
32 u
FT
RVm 32
换热器
凝液
蒸汽
RV T2 工艺 介质
静态数学模型
cp RF (T2 T1) HV RV
RVsp
1 Kv
RF
(T2sp
T1) ,
Kv HV / cp
前馈控制与反馈控制的比较
前馈控制
相关干扰可测量 基于干扰操作 MV 开环，无稳定性问题 只有部分干扰可检测 控制通道与相关干扰通道的精确 数学模型均需要获得
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
Psp
PC 22
烟气
Pm
PT 22
LT 41
设计控制系统以满足
（1）安全性：
饱和蒸汽
液位控制、空气/燃 Lsp 料流量比值控制
LC
41 （2）满足用户需求：
燃料
VF
空气 VA
锅炉供水
VW
工业 锅炉
蒸汽压力控制
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。
下一讲：
多变量系统的耦合与解耦
相对增益的概念 相对增益矩阵的计算 多变量系统CVs与MVs的配对原则 基于文块图的线性解耦器设计 基于过程机理的非线性解耦器设计 应用举例
省煤器 F(t)
u 给水
单回路PID控制
%
%
Drum Level 52
Stቤተ መጻሕፍቲ ባይዱam Flow increases
51 from 10 T/hr to 11 T/hr
50
49
48
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Feedwater Flow
60
55
50
45
0
50 100 150 200 250 300 350 400
T2 T1 HV RV cp RF
T2 T1 HV / cp R2 , R2 RV RF
小结
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
凝液
T2
工艺 介质
前馈控制方案
前馈控制的一般概念
ysp u(t)
前馈控制器
D1(t) Dn(t)
...
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
被控 过程
y(t)
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。
蒸汽 PV
R2
蒸汽
×
RVsp
FC
32 RuV
RFm
FT 31
FT
RVm 32
换热器
T1 RF T1 RF
换热器 凝液
凝液
TC
11
T2sp
PV
TC 11
T2sp
T2m
RV TT
T2m
11
TTT 2
11
T2 工艺
介质工艺
介质
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
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。
F1SP
F1m
FC
01
FT 01
F1, C1
这里假设
F
F1
F2 , C
C1F1 C2 F2 F1 F2
;
Fm 0.5 , C 1 , Am e5s ;
F s 1 C 4s 1 C 2s 1
H (s) (K2 K1T2 )s K1 K1(T0s 1) ,
D(s)
s(T2s 1)
s(T2s 1)
T0
K2 K1
T2
在复平面的右半平面将存在零点，如果
T0
K2 K1
T2
0
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
汽包
D(t) 蒸汽
Lsp
H(t)
LT Lm
LC
11
11
带有O2调节的 双交叉控制
燃料
VF
VA
空气
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)
燃料
为什么说它是一个困难 的控制问题？虚假水位
现象 空气
Psp
PC 22
烟气
VF
VA
Pm
PT 22
饱和蒸汽
Lsp
LT
LC
41
41
（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
FC23.PV
RF, m
FT 23
锅炉空燃比控制方案
蒸汽
PC22.OP
PT 22
Pm
PC
PSP
22
ASP
%O2
AT
AC
25
25
烟气
LS
FC23.SP FC 23
HS
FC24.SP
FC 24
FC24.PV
KFA ×
RA, m FT 24
三冲量控制仿真示例
D(t)
蒸汽
H(t) 汽 包
省 煤 器
F(t)
Lsp
LT Lm 11
LC IL 11
FT 02
IS
∑
Fsp
FC Fm FT
01
01
u
给水
%
%
Drum Level 52
Steam Flow increases from 10 T/hr to 11 T/hr 51
50
Three-element control
37
%
36
35
34 Without Feedforward Control
33
32
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Time, min
详见仿真模型…/FFControl /ExHeaterLinearFFC.mdl
非线性静态前馈控制方案
T2sp
非线性 RVsp FFC
T1m
RFm
TT
FT
12
线性前馈控制器的设计
ysp 前馈控制器 u(t)
FFC
D(t)
D (t)
设计目标：
Ym (s) D(s)
GYD (s)
GYC
(s)GFF
(s)GDM
(s)
被控
0
过程
y(t)
干扰通道 GYD (s)
干扰
Dm (t)
FFC
u(t)
测量单元
前馈控制器
GDM (s)
GFF (s)
＋
控制通道
＋
GYC (s)