过程控制系统前馈及比值控制

开环调节，无稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 闭环调节，存在稳定性问题 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，对通道模型要求弱，大多数情况 要求已知而且准确 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
前馈--反馈控制系统
扰动
前馈控制器 给定 控制器 过程通道 前馈通道 输出

稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的 动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即 Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与扰动 量d(t)无关。

前馈控制系统的特点
1、按照扰动大小进行控制，一般比反馈控制及时。 前馈控制与反馈控制的粗略比较
控制依据 检测信号 反馈控制 前馈控制 偏差 扰动 被控变量 扰动量 作用时间 偏差出现后 偏差出现前
TC
× RF
RV
sp
RV
FC
蒸汽
T2sp
系统功能：
（1）变比值串级？
T2
（2）变增益串级？ （3）前馈反馈串级
凝液
工艺 介质
控制 ？
结 论

讨论了流量比值控制问题； 介绍了常用的比值控制方案；
分析了流量比值与比值器参数的关系；
详细列举了燃烧控制中常用的逻辑提降量 问题与解决方案；
简单介绍了变比值控制系统的特点与应用 场合。
QA
QB max K1 K AB QA max
比值控制的实施方法2
QB IB
稳态条件: K2 IA = IB
QA QB QA K2 , K AB QAmax QB max QB
IA
K2
FC
QA
1 QA max 1 K2 K AB QB max K1
比值控制的实施方法3
QB
扰动的影响，即实现“稳态不变性”。
静态前馈控制方式：
线性静态前馈：
GFF ( s) GYD ( s)
GYC ( s) s 0
非线性静态前馈：结合对象静态模型获
得前馈控制器结构与参数。
非线性静态前馈控制
稳态平衡关系：
T2sp 前馈 控制器 T1 RVsp
FC
HV
RV
蒸汽
c p RF (T2 T1 ) HV RV
稳态条件: K3 = IA / IB
IB
÷
IA
IA / I B
RC
K3
QA QB max K3 QB QA max QB max K AB QA max
QA
存在问题：物料A的流量回路存在非线性，当物料B的流量 减少时，回路增益增大，有可能使系统不稳定，并可能出
现“除零”运算。
换热器出口温度 变比值串级控制系统
换热器的前馈-反馈控制方案1
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
∑
RVsp
RV
FC
蒸汽
－ T1
T2
工艺 介质 凝液
换热器的前馈-反馈控制方案2
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1 RVsp
FC
RV
蒸汽
－ T1
T2
凝液
工艺 介质
特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。
结 论
控制目标：
Y ( s) GYD ( s) GFF (s)GYC ( s) 0 D( s )
GYD ( S ) GFF ( S ) GYC ( S )
前馈控制的全补偿过程
前馈不变性原理
动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于 扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0。
前馈控制的概念
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
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。
u
前馈控制方块图
d(t) GYD (s) u(t) GFF (s) GYC (s)
＋ ＋
d (t) 表示某一外部 干扰;
y(t)
GYD(s)、GYC(s)分别 为干扰通道与控制 通道的动态特性； GFF(s)为前馈控制 器的动态特性。
前馈控制系统的特点（续）
2、前馈属于开环控制
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
3、前馈控制器为专用 控制器。
u
GYD ( S ) GFF ( S ) GYC ( S )
前馈控制系统的结构形式
1、静态前馈 2、动态前馈 3、前馈—反馈控制 4、前馈—串级控制
静态前馈控制
控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部
sp RV 1
RF
工艺 介质 T2 凝液
Kv
RF (T2sp T1 ) ,
K v HV / c p
讨论: 前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响 HV 为蒸汽汽化潜热。
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 按偏差控制，存在偏差才能调节， 变性（但存在可实现问题） （滞后调节）
（2）入口流量的比值 控制（流量比值 ？）。
6~8% NaoH
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开环比值控制方案
单闭环比值控制方案
双闭环比值控制方案
比值控制的实施方法1
QB IB K1 IA
FC
假设流量测量变送环节为线性对象 （对于用孔板测量的信号须经开方 运算）。 稳态条件: IA = K1 IB
QA QB QA K1 , K AB QA max QB max QB
过程控制系统 前馈及比值控制
本章基本要求
掌握前馈控制的原理； 掌握前馈控制的几种结构； 了解前馈控制与反馈控制的区别； 了解比值控制问题的由来； 掌握常用的比值控制方案。

前馈控制 (Feedforward Control)
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。

引入前馈控制的可能应用场合：
（1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重，常 规反馈控制系统难以满足要求。

应用前馈控制的前提条件：
（1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
比值控制 （Ratio Control）
物料 B QB 后 续 QA 装 置
物料 A
要求：QA / QB = KAB（比值系数）而QB 为主动流量， QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以 实现上述比值控制目标。
溶液配制问题
30% NaoH QB H2O QA
混 合 器
问题：当NaoH用量QB 变化时，调整稀释水量 QA 以使稀释液NaoH的 浓度为6~8%左右。 解决方案： （1）出口浓度控制；