第八章 前馈反馈复合控制系统分析与设计 [2013]

nD
H2
D
GD
H0
u
Gc
Kz
μ Gp2 W Gp1
H
nW
1 1 TG s
H3
H1
给水流量信号加惯性环节
带冲击负荷锅炉的给水控制系统
K dTd s 1 Td s H0
nD
u
Gc
Kz
H2
D
GD
μ Gp2 W Gp1
H
nW
1 1 TG s
H3
H1
附加蒸汽流量负微分信号
思考题8-3：
1.何谓“虚假水位”现象？简述其产生的原 因。
过低：爆管干锅
正常范围：±30~50mm 异常情况：±200mm 事故情况：>±350mm
2. 保持给水量稳定
给水量的剧烈波动对省煤器和给水管道不利。
North China Electric Power University, Fang Fang
给水被控对象的动态特性
影响汽包水位的因素： ◇ 锅炉蒸发量 (主蒸汽流量D )； ◇ 给水流量W； ◇ 燃烧率M； △ 汽包压力PD； △ 给水压力PW； △ 汽轮机调节汽门开度μ。
√ 稳态量
暂态量
1. 给水流量W 扰动下的水位变化特性
H(s) T W(s) s 1Ts s(1Ts)
其中：ε 为飞升速度
非沸腾式省煤器
沸腾式省煤器 T2
T1
T2=30~100s T1=100~200s
H (s) e s W (s) s
2. 蒸汽流量D 扰动下的水位变化特性 H(t) = H1(t)+H2(t) H (s) k2 D(s) (1 T2s) s “虚假水位”现象
§8.1 前馈控制系统的组成及特点
反馈控制的“两段时间”
D
Gd
Y0
Gc
Kz
Gp Y
H ☆第一段时间：干扰产生被控量变化 ☆第二段时间：被控量变化执行器动作
前馈控制（Feed-Forward Control）
Gff
D
Gd +
Kz +
Gp百度文库Y
完全补偿条件
G
ff
(s)=
Gd Kz
(s) (s)
双冲量给水控制系统
过热器
汽H
包
省
I/V
煤
器 给
H0
Gc
水
流 W量
V/I
Kz
蒸汽流量 D
I/V
H0
nD
nD
H2
D
GD
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1
H
H1
前馈作用快速补偿了由于蒸汽流量 变化引起的“虚假水位”现象。
三冲量给水控制系统
过热器
汽H
包
省
I/V
煤
nW
器 I/V
Gc
W
V/I
Kz
蒸汽流量 D
3. 引入前馈控制后，系统的稳定性不受影响
Gff
D
Gd
Y0
+
Gc
Kz +
Gp Y
H
(s)=1+Gc (s)Kz (s)Gp (s)H (s)
前馈—反馈复合控制的应用原则
1. 若被控对象的惯性和迟延较大，仅采用反 馈控制达不到预期效果时，有必要引入前 馈作用；
2. 如果扰动作用可以测量且经常变化，引入 前馈作用能很好地提高系统的控制品质。
思考题8-2：
1.为什么说前馈作用的加入对系统的稳定性 没有影响？
§8.3 三冲量给水控制系统
3
给水控制的任务
汽H 包 省 煤 器
给水阀
W 给水流量
过热器 D 蒸汽流量
平衡：给水量蒸发量
水冷壁
M 燃烧率
汽包水位=0
给水控制的任务
1. 维持汽包水位
过高：蒸汽带水管壁和叶片结垢汽机叶片损坏
North China Electric Power University, Fang Fang
单冲量给水控制系统
汽
包 省 煤 器
给 水 流 W量
过热器
D
优点：结构简单，运行可靠
蒸汽流量
H
H0
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1 H
H0 Kz
I/V
H
PI
V/I 适用：蒸汽量、给水量测不准时 （低负荷）；负荷变化不大、控 制质量要求不高的小容量机组。
Gff
D
Gd
Y0
+
Gc
Kz +
Gp Y
H
☆ 重点考虑对扰动作用的抑制和补偿
针对给定值的前馈—反馈复合控制
Gff
D
Y0
+
Gc
Kz
Gp Y
H
☆ 重点考虑对给定值变化的跟踪能力
2
前馈—反馈复合控制的特点
1. 引入反馈控制后，前馈控制的补偿条件不变
G
ff
(s)=
Gd Kz
(s) (s)
Y0
Gc
Gff
2.为什么要将给水流量信号和蒸汽流量信号 引入到给水三冲量控制系统中？
6
Y (s) D(s)

[G ff
(s)Kz
(s)
- Gd
( s)]G p
(s)
=0
前馈控制的特点
干扰一旦出现，调节器直接根据检测到 的干扰的大小和方向按一定规律进行控制。
显然，干扰发生后，被控制量发生变化 前，控制作用就产生了，节省了反馈控制的 “两段时间”，控制作用及时。
1
前馈控制的局限性
I/V
H0
nD
H0
nD
H2
D
GD
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1
H
nW
H3
H1
消除给水流量的扰动。
串级三冲量给水控制系统
nD
H2
D
GD
H0
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1
H
nW
H3
H1
单级三冲量控制在控制性能和控制器参数整定 方面存在问题，因而广泛采用串级三冲量形式。
5
串级三冲量给水控制系统
第八章 前馈-反馈复合控制系统 分析与设计
《热工自动控制系统》
第八章 前馈-反馈复合控制系统分析与设计
8.1 前馈控制系统的组成及特点 8.2 前馈-反馈复合控制系统特性分析 8.3 三冲量给水控制系统
North China Electric Power University, Fang Fang
3. 燃烧率M 扰动下的水位变化特性
M
H(t) = H1(t)+H2(t)
H (s) k2 D(s) (1 T2s) s
“虚假水位”现象
燃烧率先于蒸汽量变化
4
小结 ☆“虚假水位”现象 ☆ 汽泡数量和体积的变化
单冲量给水控制系统
冲 量：调节器入口的反馈信号； 单冲量：一个反馈信号进入调节器； 双冲量：两个反馈信号进入调节器； 三冲量：三个反馈信号进入调节器。
前馈控制属于开环控制，抗干扰能力差； 工业对象扰动多，无法一一设计前馈控制器； 控制通道迟延过大时无法实现完全补偿； 扰动作用很难精确测量。
完全补偿条件往往无法得到满足！
思考题8-1：
1.若前馈控制系统的结构为：
Gff
D
+ Kz
Gd Gp + + Y
想要完全消除扰动影响，前馈控制器应如何
nD
H2
D
GD
H0
Gc1
u Gc2
Kz
μ
Gp2 W Gp1
H
nW
H3
H1
副回路快速消除内扰； 主回路校正水位偏差； 前馈通路用于补偿外扰。
单级和串级三冲量给水控制系统
PI1
2
North China Electric Power University, Fang Fang
带冲击负荷锅炉的给水控制系统
选取？前提是什么？
North China Electric Power University, Fang Fang
§8.2 前馈-反馈复合控制系统 特性分析
前馈—反馈控制系统
要保证控制系统的控制品质、抗干扰 能力，有必要把前馈控制和反馈控制结合 起来，通过优势互补，提高控制系统的整 体性能。
针对扰动作用的前馈—反馈复合控制
D
Gd +
Kz +
Gp Y
H
前馈—反馈复合控制的特点
2. 前馈控制器的形式与前馈作用的位置有关
G’ff
G'ff
(s)=
Gc
Gd (s) (s)Kz (s)
D Gd
Y0 +
Gc
Kz +
Gp Y
H
North China Electric Power University, Fang Fang
前馈—反馈复合控制的特点