过程控制系统及仪表邵裕森主编6

《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统前馈控制的基本概念6.1前馈控制系统的几种结构形式6.2前馈控制系统的选用原则6.3前馈控制系统的应用6.4前馈控制系统控制器参数整定6.56.1前馈控制系统基本概念《过程控制系统及仪表》前馈控制与反馈控制的特点6.1.1不变性原理及前馈控制器6.1.2前馈控制的局限性6.1.3第六章前馈控制系统《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.1.1前馈控制与反馈控制的特点温度控制器调节阀温度对象DpDqq温度检测元件、变送器rT蒸汽冷凝水冷物料热物料q1DpDqTTCT反馈控制：①“基于偏差来消除偏差”。②控制作用产生在被控量变化之后，“不及时”的控制作用。③闭环控制系统。可以检验控制系统的控制效果。④可以消除多种扰动对被控量的影响。⑤常规PID控制规律。(一)反馈控制系统的特点换热器反馈控制系统原理图例：换热器出口物料温度控制系统《过程控制系统及仪表》6.1.1前馈控制与反馈控制的特点第六章前馈控制系统如果控制系统能直接按扰动的大小和方向，而不是按偏差进行控制，将扰动影响消除在被控量变化之前，那么控制系统的控制质量必然会得到进一步的提高。前馈控制：按照扰动的大小和方向，产生相应的补偿作用，削弱扰动对被控过程的影响。例：换热器出口物料温度控制系统蒸汽冷凝水冷物料热物料q1DpDqTTCTQTFFCFFC：为前馈控制器输出为前馈补偿作用假设：冷物料流量变化是系统的主要扰动Feed-forwardcontrollerFeedbackcontroller《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.1.1前馈控制与反馈控制的特点蒸汽冷凝水冷物料热物料q1DpDqQTFFC调节阀冷物料流量检测元件、变送器前馈控制器温度对象q前馈控制：①“基于扰动来补偿扰动对被控量的影响”。②控制作用产生在被控量变化之前，“及时”的控制作用。③开环控制系统。无法检验控制效果，通常无法单独使用。④只对特定的扰动具有补偿作用。⑤控制规律比较复杂。(二)前馈控制系统的特点《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.1.2不变性原理与前馈控制器(一)不变性原理的基本概念前馈控制系统中的不变性原理是指通过前馈控制器的补偿控制作用，完全消除扰动对被控量的影响。系统的不变性定义为：时，。0)(tf0)(ty过渡过程中，动态偏差和静态偏差均等于零。oty1y2y21yyy扰动引起的被控参数的变化前馈补偿作用引起的被控参数的变化《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.1.2不变性原理与前馈控制器(二)前馈控制器不变性原理是前馈控制器的设计依据。)(sWM)(sWo)(sWfFY前馈控制系统扰动通道控制通道前馈控制器)()()()()()(sFsWsWsFsWsYoMf)()()()()(sWsWsWsFsYoMf根据绝对不变性原理，应有，即0)()(sFsY)()()(sWsWsWofM前馈控制器是由被控过程扰动通道与控制通道特性之比决定。“－”表示前馈控制作用与扰动作用对被控量的影响方向相反。此时被控量与扰动量完全无关。《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.1.3前馈控制的局限性前馈控制属于开环控制不能根据被控量的偏差作进一步的调整，无法检验控制效果。难以实现完全补偿不容易掌握过程扰动通道及控制通道特性，因而前馈控制器模型难以准确实现。即使前馈模型可以准确求出，但工程上难以实现。上述局限性使得前馈控制系统通常无法单独使用。只对特定扰动起补偿作用特定扰动外的其他扰动使得被控量偏离设定值时，前馈控制器无法产生补偿作用。6.2前馈控制系统的几种结构形式《过程控制系统及仪表》前馈-反馈复合控制系统一、前馈－串级复合控制系统二、第六章前馈控制系统《过程控制系统及仪表》例：炼油装置上加热炉的前馈-反馈控制系统FqBq燃燃燃燃燃燃燃燃工艺：通过燃料的燃烧，将冷物料进行加热，工艺要求热物料温度保持稳定。被控量：热物料温度控制量：燃料流量TCTT假若扰动变化不大，控制质量要求不高，可以设计如图的单回路控制系统。第六章前馈控制系统（一）前馈-反馈复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式《过程控制系统及仪表》例：炼油装置上加热炉的前馈-反馈控制系统第六章前馈控制系统（一）前馈-反馈复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式FqBq燃燃燃燃燃燃燃燃假定燃料压力波动频繁，剧烈。主被控量：热物料温度副被控量：燃料流量控制量：燃料流量假若燃料压力变化较剧烈，为了提高控制系统的控制质量，可以设计如图的串级控制系统。TCTTFTFC《过程控制系统及仪表》例：炼油装置上加热炉的前馈-反馈控制系统第六章前馈控制系统（一）前馈-反馈复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式FqBq燃燃燃燃燃燃燃燃被控量：热物料温度控制量：燃料流量假若冷物料流量波动频繁，剧烈，为了提高控制系统的控制质量，可以设计如图的前馈-反馈控制系统。TC0TTPTFFC前馈补偿器其输入为冷物料流量《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统（一）前馈-反馈复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式FqBq燃燃燃燃燃燃燃燃TC0TTPTFFC燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃－rTT燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃燃＋＋燃燃燃燃燃《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统（一）前馈-反馈复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式R-FXY)(sWc)(sWO)(sWM)(sWf前馈-反馈系统闭环传递函数为)()(1)()()()()(sWsWsWsWsWsFsYocoMf根据不变性原理，有0)()(sFsY)()()(sWsWsWofM《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统（二）前馈-串级复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式例：加热炉出口温度的前馈－串级复合控制系统FqBqFFCTT0FTTCFTFC假设：冷物料流量、燃料压力波动频繁，剧烈。可设计如图所示的前馈-串级复合控制系统。《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统（二）前馈-串级复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式-)(1sWc)(2sWc)(1sWo)(2sWo)(sWM)(sWf1R2R1F1Y2F2Y-FqBqFFCTT0FTTCFTFC《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统（二）前馈-串级复合控制系统6.2前馈控制系统的几种结构形式1F)(sWf)(sWM)(2sW)(1sWo)(1sWc1R2R1Y2Y-)()()(1)()()()()()(1211211sWsWsWsWsWsWsWsFsYocoMf系统在扰动作用下闭环传递函数为根据绝对不变性原理)()()()(12sWsWsWsWofM《过程控制系统及仪表》6.3前馈控制系统的选用原则第六章前馈控制系统1．实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性2．扰动量变化频繁且幅值较大“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。无法在线测量的扰动，不能采用前馈补偿作用补偿其对被控过程的影响。“不可控”：指这些扰动量难以或不能通过专门的控制回路予以控制，以达到抑制或减小其发生的目的。如：炼油装置加热炉中的冷物料流量是不可控的。扰动量幅值越大，被控量的偏差越大。当扰动量幅值相当大时，单靠反馈的校正作用，过程可能会出现不能允许的动态偏差。因此，对幅值较大的可测、不可控扰动应考虑使用前馈控制。工艺：通过调节回流量的大小，保持塔顶温度稳定。假设：进料流量波动比较频繁，剧烈。《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.4前馈控制系统的应用精馏塔塔顶产品成分的前馈—反馈复合控制系统34LqFq1y冷凝器冷凝罐进料回流进料流量可测、不可控；因此采用前馈补偿方案削弱其对被控过程的影响。FTFFCTTTC6.5前馈控制系统的工程整定《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统为了便于进行前馈模型的工程整定，同时又能满足工程上一定的精度要求，常将被控过程的控制通道及扰动通道简化成：soesTKsW11)(11sfesTKsW21)(22则前馈控制器模型可以近似为：sMssMesTsTKesTKesTKsW1111)(21112212一、静态参数值的整定mKPID-)(sWOMK)(sWfRSFY1.整定好闭环控制系统PID参数；2.闭合开关S，整定的值。mK12《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.5前馈控制系统的工程整定一、静态参数值的整定mK0tyty0ty0ot0y0ytPID控制过程MK过小的欠补偿过程MK较大的过补偿过程MK过大的过补偿过程MK较合适的补偿过程《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.5前馈控制系统的工程整定二、滞后值的整定sMMesTsTKsW11)(21值是过程扰动通道及控制通道纯滞后时间的差值。它反映着前馈补偿作用提前于扰动对被控参数影响的程度。值过大，前馈补偿作用滞后于扰动影响欠补偿。值过小，前馈补偿作用超前于扰动影响额外的反向扰动影响。根据过渡过程曲线调节滞后时间的值。12《过程控制系统及仪表》第六章前馈控制系统6.5前馈控制系统的工程整定sMMesTsTKsW11)(21三、时间常数、值的整定1T2T1T2T由上式可见，增大或减小均会增强前馈补偿的作用。整定时先从过程为欠补偿情况开始，逐步强化前馈补偿作用直到出现过补偿的趋势时，再稍微削弱一点前馈补偿作用以得到补偿效果满意的过渡过程1T2T2T1T