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1、前馈控制系统Feedforward Control,1,深层分析,上一讲内容回顾,介绍了串级控制系统的概念与特点； 结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能； 讨论了串级控制系统的设计原则； 介绍了串级控制系统的防积分饱和； 介绍了串级控制系统的投运。,2,深层分析,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？,3,深层分析,控制器的正反作用选择,课堂提问2,4,深层分析,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
2、3,5,深层分析,课堂提问4,1、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？,6,深层分析,内 容,前馈控制的原理 线性前馈控制的设计 非线性前馈控制 前馈反馈控制系统,7,深层分析,换热器的反馈控制,假设主要干扰为RF，T1,8,深层分析,单回路控制的仿真,9,深层分析,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 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！,10,深层分析,换热器的前馈控制方案,11
3、,深层分析,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受控变量。,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。,12,深层分析,原理分析,根据不变性原理，当扰动F(s)变化时，对被控变量无影响，即与扰动变化无关,13,深层分析,静态前馈和动态前馈,前馈控制分为静态前馈和动态前馈两类 假设 前馈控制器传递函数,14,深层分析,举例：换热器的前馈控制,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
4、0 25 T/hr。,15,深层分析,换热器的线性前馈控制,16,深层分析,换热器的线性前馈控制（续）,采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：,17,深层分析,线性前馈控制的仿真,有余差,18,深层分析,前馈加反馈控制,19,深层分析,前馈反馈控制的仿真,20,深层分析,非线性稳态前馈控制,稳态平衡关系：,21,深层分析,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：,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。,22,深层分析,非线性动态前馈控制器,动态前馈控制器 （g1(s)、g2(s)、g3(
5、s)分别表示RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道特性的动态部分。）,23,深层分析,在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。 反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。 在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。,复合控制系统具有以下优点：,24,深层分析,系统引进前馈控制必须遵循的原则：,1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克 服、控制要求高时；,2）控制通道时
6、常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；,3）主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；,4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。,25,深层分析,前馈控制与反馈控制的比较,26,深层分析,前馈反馈控制方案1,27,深层分析,前馈反馈控制方案2,特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。,28,深层分析,讨 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。 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。,29,深层分析
7、,本章作业：,1. 如图示加热炉，采用控制燃料气流量来保证加热炉出口温度恒定。 1) 若进料量是主要扰动且不可控制时，设计合理的控制方案，并作简要说明。 2) 当燃料气阀前压力是是主要扰动且不可控时，设计合理的控制方案，并作简要说明。,30,深层分析,31,深层分析,2. 某前馈-串级控制系统如图所示。已知： 求：（1）绘出该系统方框图。（2）计算前馈控制器的数学模型。3）假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正/反作用。,32,深层分析,3. 判断系统类型,33,深层分析,4. 在如图所示的锅炉三冲量液位控制系统中， 1）三冲量是指哪三个冲量？在图中画出控制系统流程图 2）画出其控制系统方框图
8、； 3）从保护锅炉的角度，选择阀门开关型式； 4）在图中标明各环节传函的正负符号； 5）确定调节器的正反作用； 6）简述蒸汽负荷增大时和供水压力增加时系统分别如何进行调节。,34,深层分析,5.分析系统,35,深层分析,课前题目：,(15分)如左下图所示为聚合釜温度控制系统。试问： （1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方框图； （2）如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式； （3）确定主、副控制器的正、反作用； （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程； （5）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，请在右下图画出它的原理图，并确定主、副控制器的正、反作用。,36,深层分析,练习题,下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 与蒸汽阀前压力PV 均比较稳定； （2）介质流量GF 比较稳定，但压力PV 波动较大； （3）蒸汽压力PV 比较稳定，但介质流量GF 波动较大。,37,深层分析,