5.前馈控制系统-过程控制(自动化)

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
前馈反馈控制方案2
T2sp
TC
c p RF (T2 T1 ) HV RV
蒸汽
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
RVsp
RV
FC
－ 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。
sp RVm RV max 1
Kv
RF (T2sp T1 ) , Kv HV / c p
Kv
RFm RF max{[T2 min 0.01(T2 max T2 min )T2sp ] [T1min 0.01(T1max T1min )T1m ]}
sp RVm RFm 1
动态前馈控制的可实现性
QC ( s) C s K DM QD ( s) D s GYD ( s) e , GDM ( s) , GYC ( s) e PD ( s) TDM s 1 PC ( s)
GYD ( s) QFF ( s) ( D C ) s GFF ( s) e GYC ( s)GDM ( s) PFF ( s)
换热器反馈控制系统举例
(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 1
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)
பைடு நூலகம்热器前馈反馈控制系统 2
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)
前馈＋反馈控制的仿真
前馈控制
扰动可测，但不要求被控量可 测 超前调节，可实现系统输出的 不变性（但存在可实现问题） 开环调节，无稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 对于干扰与控制通道的动态模 型，要求已知而且准确 对时变与非线性对象的适应性 弱
反馈控制
被控量直接可测 按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞 后调节） 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与鲁棒性 强
FC
蒸汽 HV, RV 工艺介 质
稳态工作点：T1=20℃， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180℃。 假设：T2温度测量变送的量 程为100-300℃，RV和RF的 量程分别为0 ~ 5 T/hr和0 ~ 25 T/hr。
cp, RF , T1 冷凝液
T2
换热器的线性前馈控制

前馈控制系统的几种结构形式

分为静态前馈、动态前馈、前馈反馈控制系统、多变量前馈控制、用计 算机实现前馈控制等。
静态前馈控制
控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰
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
FC
RVm
蒸汽 HV, RV 工艺介 质 T2
－
g 2 ( s) g1 ( s)
RF
T1
cp, RF , T1 凝液
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。）
sp RV 1
Kv
RF (T2sp T1 )
前馈控制与反馈控制的比较

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举例
T2
sp
稳态平衡关系：
RVsp
FC
前馈 控制器 T1
RV
蒸汽
c p RF (T2 T1 ) HV RV
R 1
sp V
RF
工艺 介质 T2 凝液
Kv
RF (T T1 ) ,
sp 2
K v HV / c p
前馈控制系统
Feedforward Control
本讲内容

前馈控制的原理
静态前馈控制 前馈控制系统的动态补偿

前馈反馈控制系统
换热器的反馈控制
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
T2
假设主要干扰为RF，T1
单回路控制的仿真
采用串级控制？

串级控制需要：
单回路控制不能满足要求； 可测量的副变量
课堂提问1

相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方 案选择时应首选串级控制？
串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最 多干扰的那个变量作为副变量？

课堂提问2
Tsp
TC
Psp
PC
Tm Pm
控制器的正反 作用选择
进料
u Pv
燃料油
T
出料
P
课堂提问3
Pv Tsp
+ -
D1
P
+ +
思考: 前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响
前馈控制算法
假设T1、T2的测量范围为[T1min, T1max]、[T2min, T2max], RV、 RF的测量范围为[0, RVmax]、[0, RFmax]；而各测量信号T1m、 T2m 、 RVm、RFm及设定值均为0 ~ 100 %.
sp RV 1
前馈控制的动态补偿
d(t) GYD (s) GFF (s) u(t) GYC (s)
＋ ＋
y(t)
讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时， 需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为
GFF ( s ) GYD ( s ) GYC ( s ) K YD K YC gYD ( s ) gYC ( s )
Kv
RF max
RV max
{[T2 min 0.01(T2 max T2 min )T2sp ]
[T1min 0.01(T1max T1min )T1m ]}
换热器动态仿真模型
(参见模 型…/FFCont rol/ExHeater .mdl)
静态工作点: T1=20℃, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180℃. T2仪表量程为100~300℃, RV仪表量程为0~5 T/hr. 干扰通道纯滞后可忽略, 控制通道纯滞后为2.5 min.
换热器的静态前馈控制器
假设静态工作点为: T1=20℃, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180℃. T2的测量仪表量程为100 ~ 300℃, RV仪表量程为0 ~ 5 T/hr，T1量程为0 ~ 50℃, RF仪表量程为0 ~ 20 T/hr. 则其 静态前馈控制算法为
6.3s 1 % GFF ( s) 0.975 exp 0.3s 3s 1 %
线性前馈控制的仿真
有余 差
原因：实际的工业对象会存在多个扰动；受前馈控制模型精度 的限制；用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。
前馈加反馈控制
+ 前馈控制器
∑
+ u(t)
反馈控制器
ysp
过程 y(t) D(t)
这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳 态增益均为1。
非线性系统的动态前馈补偿
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：
GFF (s) K FF g FF (s)
K YC ,
其中
K FF
K YD
g FF ( s )
gYD ( s )
gYC ( s )
结论

引入前馈控制的可能应用场合：
常规反馈控制系统难以满足要求； 干扰可测。 主要被控量不可测

应用前馈控制的前提条件：
主要干扰可测； 调节阀与被测干扰之间没有因果关系； 干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； 干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
线性前馈 控制器 RVsp
FC
RV
蒸汽
GYD ( s)
T2 m ( s) K D D s e RF (s) TD s 1
% T / hr
RF T1 凝液
RF (t)
工艺 介质 T2
T2 m (s) K M M s GYC (s) e RVsp (s) TM s 1
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。
前馈控制方块图
D (t) 干扰通道 GYD (s) Dm (t)
GFF ( s)
开环
＋ ＋
测量变送 GDM (s)
GYD ( s) GDM (s)GYC (s)
前馈控制器 GFF (s)
u(t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：
KD 7.8 GYD ( s) exp D s exp 0.5s TD s 1 3s 1 KM 2.0 GYC (s) exp M s exp 0.2s TM s 1 6.3s 1 % GDM ( s ) K DT 4.0 T / hr
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。动态前馈补偿的一般形式为
T1s 1 g FF ( s) exp( s) T2 s 1
非线性动态前馈控制器
T2
sp
＋
∑
× g 3 (s) g1 ( s) RF
kv
RV
sp
T2sp 非线性 FFC T1 RVsp
GDM ( s ) K DT % T / hr
% %
干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s) RFm (t)
SP R (t) V 前馈控制器 GFF (s)
＋
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
换热器的线性前馈控制（续）
K D TM s 1 ( D M ) s GFF ( s) e K DT K M TD s 1
TC
Psp
+ Pm
PC
u
Gv G m2
G p2
+
+
G p1
T
Tm
G m1

试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动； 试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的非 线性。
课堂提问4
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
T2
1、如果加热蒸汽 压力波动导致 单回路控制效 果不理想，怎 么办？ 2、如果工艺介质 流量波动导致 控制效果不理 想，怎么办？
sp RVm RFm 1
Kv
RF max
RV max
{[T2 min 0.01(T2 max T2 min )T2sp ]
[T1min 0.01(T1max T1min )T1m ]} 4 RFm Kv {100 2T2sp 0.5T1m }
换热器静态前馈控制仿真
讨论：分析稳态不变性原理以及系数Kvm对前馈控制性能 的影响，(参见模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)
ym (t) y(t)
控制目标：
Y ( s) 0 GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s)GDM ( s) 0 D( s )
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, （调节过程的动态和稳态偏差均为零，“理想情况” ）。 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。
QFF (s) TDM s 1QD (s) P C ( s), P FF ( s) K DM P D (s)QC (s)
可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） D C 不满足条件时怎么办？
动态前馈控制的可实现性（续）
可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2）

副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
换热器的前馈控制方案
蒸汽 FF
HV, RV
工艺 介质
RF
cp, RF , T1
凝液
T2
前馈控制的思想
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
u
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。
D C
若条件（2）不满足，可人为令
D C
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。因而，工业系统中常用的动态前馈控 制器为
T2 s 1 FF s GFF ( s) K FF e T1s 1
举例：换热器的前馈控制
RVm RVsp