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过程控制系统第五章 前馈控制系统.ppt

过程控制系统第五章 前馈控制系统

孟子73代
2018-12-25 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《过程控制系统第五章 前馈控制系统ppt》,可适用于高等教育领域

*过程控制系统本章内容要点前馈控制的本质是ldquo基于扰动消除扰动对被控量的影响rdquo即一旦扰动出现立刻进行补偿故前馈控制又称为ldquo扰动补偿rdquo。反馈控制的本质是ldquo基于扰动产生的偏差来消除扰动对被控量的影响rdquo在扰动出现后、偏差产生前调节器没有控制作用。因此前馈控制对抑制扰动引起的被控量的动、静态偏差比较有效。前馈控制只适用于克服可测不可控的扰动而对系统中的其它扰动无抑制作用前馈控制具有指定性补偿的局限性。为了克服这种局限性通常将前馈、反馈两者结合起来构成复合控制系统。可测不可控的主要扰动由前馈控制抑制其它的由闭环控制解决。前馈控制具有静态和动态两种。静态前馈控制只能对扰动的稳态响应有良好的补偿作用但静态前馈控制器只是一个比例调节器实施起来十分方便。动态前馈控制几乎每时每刻都在补偿扰动对被控量的影响故能极大提高控制过程的动态品质是改善控制系统品质的有效手段但控制器取决于被控对象的特性往往比较复杂难以实施。前馈控制属于开环控制只要系统中各环节是稳定的则控制系统必然稳定。*过程控制系统在过程控制领域中前馈和反馈是两类并列的控制方式为了分析前馈控制的基本原理首先回顾一下反馈控制的特点。前馈控制的基本概念到目前为止所讨论的控制系统如单回路控制系统、串级控制系统都是有反馈的闭环控制系统其特点是当被控过程受到扰动后必须等到被控参数出现偏差时调节器才动作以补偿扰动对被控参数的影响。众所周知被控参数产生偏差的原因是由于扰动的存在倘若能在扰动出现时就进行控制而不是等到偏差发生后再进行控制这样的控制方案一定可以更快、更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制正是基于这种思路提出来的。前馈控制的基本概念*过程控制系统反馈控制的特点图换热器温度反馈控制系统前馈控制的基本概念*过程控制系统b)系统框图图换热器温度反馈控制系统前馈控制的基本概念*过程控制系统)无论扰动发生在哪里总要等到引起被控量发生偏差后调节器才动作故调节器的动作总是落后于扰动的作用是一种ldquo不及时rdquo的控制。)反馈控制的本质是ldquo基于偏差来消除偏差rdquo。如果没有偏差出现也就没有控制作用了。)反馈控制系统因构成闭环故而存在稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的闭环系统是否稳定仍然需要作进一步的分析。)引起被控量发生偏差的一切扰动均被包围在闭环内故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影响。)反馈控制系统中调节器的控制规律通常是P、PI、PD和PID等。由此可归纳出反馈控制的特点如下:前馈控制的基本概念*过程控制系统a)系统控制流程图b)控制系统框图前馈控制原理与特点图换热器前馈控制系统对图所示的热换器采用如图所示的前馈控制系统。前馈控制的基本概念*过程控制系统图前馈控制系统框图前馈控制系统框图如图所示。前馈控制的基本概念*过程控制系统()故()要使可得前馈控制器模型为()由图可知前馈控制的基本概念*过程控制系统由此可将前馈控制器的特点归纳如下:)前馈控制是ldquo基于扰动来消除扰动对被控量的影响rdquo故前馈控制又称为ldquo扰动补偿rdquo。)扰动发生后前馈控制器ldquo及时rdquo动作对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。)前馈控制属于开环控制所以只要系统中各环节是稳定的则控制系统必然稳定。)只适合用来克服可测而不可控的扰动而对系统中的其它扰动无抑制作用。因此前馈控制具有指定性补偿的局限性。)前馈控制器的控制规律取决于被控过程的特性。因此往往控制规律比较复杂。前馈控制的基本概念*过程控制系统前馈控制的局限性由前馈控制的原理、特点可以看出前馈控制虽然对可测不可控的扰动有很好的抑制作用但同时也存在着很大的局限性。()完全补偿难以实现。前馈控制只有在实现完全补偿的前提下才能使系统得到良好的动态品质、但完全补偿几乎是难以作到的因为要准确地掌握过程扰动通道特性及控制通道特性是不容易的。故而前馈模型难以准确获得且被控对象常含有非线性特性在不同的工况下其动态特性参数将产生明显的变化原有的前馈模型此时就不能适应了因此无法实现动态上的完全补偿。即使前馈控制器模型能准确求出有时工程上也难以实现(必须采用计算机)。前馈控制的基本概念*过程控制系统()只能克服可测不可控的扰动实际的生产过程中往往同时存在着若干个扰动。如上述换热器温度控制系统中物料流量、物料入口温度、蒸汽压力等的变化均会引起出口温度的变化。如果要对每一种扰动都实行前馈控制就是对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器这将使系统变得庞大而复杂从而增加自动化设备的投资。另外尚有一些扰动量至今仍然无法实现在线测量。而若仅对某些可测扰动进行前馈控制则无法消除其它扰动对被控参数的影响。这些因素均限制了前馈控制的应用范围。前馈控制的基本概念*过程控制系统静态前馈控制是最简单的前馈控制结构只要令图中的前馈控制器传递函数(式)满足下式即可:()式中、为干扰通道与控制通道的静态增益。顾名思义静态前馈控制只能对扰动的稳态(静态)响应有良好的补偿(控制)作用。由于静态前馈控制器为一比例调节器实施起来十分方便因而在扰动变化不大或对补偿(控制)要求不高的生产过程中可采用静态前馈控制结构形式。前馈控制系统的结构形式静态前馈控制系统在实际过程控制中前馈控制有多种结构形式下面仅介绍几种典型方案。*过程控制系统显然静态前馈控制系统结构简单、易于实现在一定程度上可改善过程品质但在扰动作用下控制过程的动态偏差依然存在。对于扰动变化频繁和动态精度要求比较高的生产过程此种静态前馈往往不能满足工艺上的要求这时应采用动态前馈方案。动态前馈的结构参见图其中前馈控制器的传递函数由式()决定。对比式()与式()可见静态前馈是动态前馈的一种特殊情况。采用动态前馈后由于它几乎每时每刻都在补偿扰动对被控量的影响故能极大地提高控制过程的动态品质是改善控制系统品质的有效手段。动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质但是动态前馈控制器的结构往往比较复杂需要专门的控制装置甚至使用计算机才能实现且系统运行、参数整定也比较复杂。因此只有当工艺上对控制精度要求极高、其他控制方案难以满足时才考虑使用动态前馈方案。前馈控制系统的结构形式动态前馈控制系统*过程控制系统为了克服前馈控制的局限性工程上将前馈、反馈两者结合起来。这样既发挥了前馈作用可及时克服主要扰动对被控量影响的优点又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点同时也降低了系统对前馈补偿器的要求使其在工程上易于实现。这种前馈反馈复合控制系统在过程控制中已被广泛地应用。前馈控制系统的结构形式前馈反馈复合控制系统*过程控制系统图加热炉前馈反馈控制系统前馈控制系统的结构形式*过程控制系统a)前馈信号接在反馈控制器之后b)前馈信号接在反馈控制器之前前馈控制系统的结构形式典型的前馈反馈控制系统如图所示。它是由一个反馈回路和一个外环补偿回路叠加而成的复合系统。图单回路前馈反馈复合控制系统*过程控制系统()注意到在单纯前馈控制下扰动对被控量的影响为()可见采用了前馈反馈控制后扰动对被控量的影响为原来的。这就证明了反馈回路不仅可以降低对前馈补偿器精度的要求同时对于工况变动时所引起的对象非线性特性参数的变化也具有一定的自适应能力。在前馈反馈复合控制系统中实现前馈作用的完全补偿的条件不变即对图a所示结构()前馈控制系统的结构形式对图a所示前馈反馈控制系统输出对扰动的传递函数为*过程控制系统()要实现完全补偿()前馈模型为()此时前馈控制器的特性不但取决于过程扰动通道及控制通道特性还与反馈控制器的控制规律有关。前馈控制系统的结构形式对于图b所示系统结构的情况出于输出对扰动的传递函数为*过程控制系统在过程控制中有的生产过程常受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响。而生产过程对被控参数的控制精度和稳定性要求又很高这时可考虑采用前馈串级控制系统。对图所示的加热炉,可采用图所示前馈串级复合控制系统。系统中副调节器为流量调节器FC前馈控制器FFC采用动态前馈模型。前馈串级复合控制系统的框图如图所示。图加热炉出口温度前馈串级控制系统前馈控制系统的结构形式前馈串级复合控制系统*过程控制系统图前馈串级复合控制系统框图前馈控制系统的结构形式由串级系统分析可知系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制能力而前馈控制能克服进入主回路的系统主要扰动。另外由于前馈控制器的输出不直接加在调节阀上而是作为副调节器的给定值因而可降低对调节阀门特性的要求。实践证明这种复合控制系统的动、静态品质指标均较高。*过程控制系统()可将图简化为图比较图a两者一致。图图等效简化框图前馈控制系统的结构形式下面讨论前馈控制模型。由串级控制系统分析可知副回路的等效传递函数为*过程控制系统()要对的影响进行完全补偿则应有从而有当副回路的工作频率远大于主回路工作频率时副回路是一个快速随动系统其闭环传递函数为()将式()代入式()得可见在前馈串级复合控制系统中前馈补偿器的数学模型主要由系统扰动通道与主过程特性之比决定。()前馈控制系统的结构形式系统输出对于扰动的传递函数为()*过程控制系统前馈控制的选用与稳定性实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测和不可控性*过程控制系统动态过程的稳定性是控制系统能够正常运行的必要条件。线性控制系统的稳定性理论已经发展得很成熟它们同样适用于线性前馈控制系统的稳定性分析。众所周知前馈控制属于开环控制方式因此在设计前馈控制系统时对系统中每一个组成环节的稳定程度都必须予以足够的重视。在实际的生产过程中往往存在着无自平衡特性。如锅炉汽包水位控制系统中控制通道特性就具有无自平衡能力又如在大多数化学反应过程中常伴有放热反应而放热反应的速度随着温度的升高而加剧致使放热量也随之增加其结果又使温度升高因此这类具有温度正反馈性质的化学反应器(聚合釜)自身无自平衡能力。对于无自平衡能力的生产过程通常不能单独使用前馈控制方案。但对于开环不稳定的过程可以通过调节器的合理整定使其组成的闭环系统在一定范围内稳定。事实上对于前馈反馈或前馈串级控制系统只要反馈系统或串级系统是稳定的则相应的前馈反馈或前馈串级控制系统也一定是稳定的。这也是复合系统在工业应用中取代单纯的前馈控制的重要原因之一。前馈控制的选用与稳定性前馈控制系统的稳定性*过程控制系统前馈补偿模型由过程扰动通道及控制通道特性的比值决定。但因过程特性的测量精度不高不能准确地掌握扰动通道特性及控制通道模型故前馈模型的理论整定难以进行目前广泛采用的是工程整定法。实践证明相当数量的化工、热工、冶金等工业过程的特性都是非周期、过阻尼的。因此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处理成含有一阶或二阶惯性环节必要时再加上一个时滞的形式即()()前馈控制系统的工程整定生产过程中的前馈控制一般均采用前馈反馈或前馈串级复合控制系统。复合控制系统中的参数整定要分别进行可先按前述原则整定好单回路反馈系统或串级系统。这里主要讨论前馈控制器参数的整定方法。*过程控制系统()工程整定法是在具体分析前馈模型参数对过渡过程影响的基础上通过闭环试验来确定前馈控制器的参数。前馈控制系统的工程整定将式()、式()代入式()可得到*过程控制系统是前馈控制器中的一个重要参数。对图所示的静态前馈反馈控制系统在整定好闭环PID控制系统的基础上闭合开关S得到闭环试验过程曲线如图所示。由图a)、b)可见当值过小时不能显著地改善系统的品质此时为欠补偿过程。反之当值过大时虽然可以明显地降低控制过程的第一个峰值但由于值过大造成的静态前馈输出过大相当于对反馈控制系统又施加了一个不小的扰动这只有依靠PID调节器加以克服因而造成控制量下半周期的严重过调致使过渡过程长时间不能恢复故过大也会降低过渡过程的品质如图c)、d)所示此时称为过补偿。只有当取得恰当时过程品质才能取得明显的改善如图e)所示即取此时的值为整定值。前馈控制系统的工程整定静态参数的确定*过程控制系统a)PID控制过程b)过小的欠补偿过程c)较大的过补偿过程d)过大的严重过补偿过程e)合适的补偿过程图闭环整定法试验曲线前馈控制系统的工程整定*过程控制系统动态前馈参数与整定框图如图所示。图动态前馈参数整定框图前馈控制系统的工程整定动态参数、的确定*过程控制系统前馈控制系统的工程整定首先使系统处于静态前馈反馈控制方案下运行分别整定好反馈控制下的PID参数及静态前馈参数然后闭合动态前馈反馈复合控制系统。先使前馈控制器中的动态参数=在的阶跃扰动下由被控量的变化形状判断、应调整的方向。实验时先从过程欠补偿情况开始逐步强化前馈补偿作用(增大或减小)直到出现过补偿的趋势时再稍微削弱一点前馈补偿作用即适当地减小或增大以得到补偿效果满意的过渡过程此时的、值即为前馈控制器的动态整定参数。*过程控制系统前馈控制系统的工程整定曲线①为单回路反馈控制下被控参数的变化曲线②及曲线③均为动态前馈反馈控制过程。其中曲线②表示采用动态前馈反馈控制时被控参数的超调与采用反馈控制时的方向相同这说明此时为欠补偿过程。因此应该继续加强前馈补偿作用即前馈控制参数应继续加大(或减小)当出现曲线③的情况时说明已达到了过补偿的控制过程此时应减小前馈控制器参数(或加大)以免使过渡过程的反向超调进一步扩大。*过程控制系统前馈控制系统的工程整定()过程时滞的影响*过程控制系统冷凝器温度前馈反馈复合控制系统许多生产过程中都有冷凝设备它的作用是将中间产品冷凝成液体再送往下一个工段继续加工。这种冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度控制量则为冷却水的流量如图所示。前馈控制的工业应用前馈控制系统可以用来补充单回路反馈控制及串级控制所不易解决的某些控制问题因而在石油、化工、冶金、发电厂等过程控制中取得了广泛的应用。随着计算机技术的发展动态前馈控制已不难实现。目前前馈反馈、前馈串级等复合控制已成为改善控制品质的重要方案。下面介绍几个较成熟的工业应用示例。*过程控制系统其工作原理是:从低压汽轮机出来的乏蒸汽经冷凝器以后变成温水再由循环泵送至除氧器经除氧处理后的温水可继续作为发电锅炉的给水。本系统采用前馈反馈复合控制方式将乏蒸汽被冷凝后的温水温度作为被控参数将冷却水流量作为控制参数即由温度变送器(TT)、PI调节器(TC)、冷却水调节阀及过程控制通道构成反馈控制系统。乏蒸汽流量是个可测而不可控且经常变化的扰动因素故对乏蒸汽流量进行前馈控制使冷却水流量跟随乏蒸汽流量的变化而提前变化以维持温水的水温达到指定范围。a)系统原理图b)系统框图图冷凝器温度的前馈反馈控制方案前馈控制的工业应用*过程控制系统前馈控制的工业应用()锅炉给水前馈串级三冲量系统*过程控制系统图锅炉汽包水位前馈串级三冲量控制系统原理图前馈控制的工业应用在三冲量给水控制系统中调节器接受汽包水位、蒸汽流量及给水流量三个信号(冲量)如图与图所示。*过程控制系统图锅炉汽包水位前馈串级控制系统框图前馈控制的工业应用*过程控制系统前馈控制的工业应用*过程控制系统思考题与习题*过程控制系统思考题与习题*过程控制系统思考题与习题

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