前馈—反馈复合控制系统课设

目录第一章．前馈控制系统2第二章.给水控制对象的动态特征7第三章．给水自动控制系统的基本要求11第五章．总结24参考文献24专业班级自动化09-1学号01姓名李丰成绩前馈—反馈复合控制控制系统摘要流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真第一章．前馈控制系统1.前馈控制系统的组成在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。由于干扰发生-0-文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。图中虚线所示是反馈控制的方法，这种方法没有前馈控制及时。图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。图中，k：测量变送器的变送系数；BW(s)：干扰通道对象传递函数；DZW(s)：控制通道对象传递函数；DW(s)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。B2前馈控制系统的特点理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。从以上分析我们可以得出如下结论：若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做前馈控制或扰动补偿。前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明，图中虚线部分表示反馈控制系统。换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度一1定。当被加热水流量发生变化时，若蒸汽两不发生变化，而要使出口温度保持不对被调量的影响。实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然WB(s)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。由图2可得：（1）Y(s)=[WDZ(s)+KBW(s)WBD(s)]Z(s)令K=0则有：Y(s)=W(s)+W(s)W(s)B（2）Z(s)DZBD式中：Z(s)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿”，此时：Y(s)=W(s)+W(s)W(s)=Z(s)DZ0BDW(s)所以，前馈控制器的控制规律为：WB(s)DZW(s)D（3）上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。如果WDZ(s)和WD(s)可以很准确测出，且WB(s)完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全控制的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均是零。3.复合控制系统特性分析正如前面所指出的那样，前馈控制能依据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有前言的手段。因而，当前前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。此外当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。再者，前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致WD(s)和WDZ(s)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服。以这种形式组成的系统称为前馈—反馈复合控制系统。前馈—反馈复合控制系统即能发挥前馈调节控制及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到了广泛的应用。复合控制系统具有以下几个特点。（1）引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。图（3）为前馈—反馈复合控制系统的原理方框图。由图可得，没有加入反馈作用时完全补偿的条件为：WW(s)DZ(s)（4）加上反馈后有：BW(s)DY(s)W(s)WTD(s)W(s)WX(s)BD(s)WDZ(s)Z(s)（5）1WT(s)WD(s)1WT(s)WD(S)式（5）中，X(s)0,Z(s)0，应用不变性原理有：即：WW(s)DZ(s)BW(s)D（6）式（4）与式（6）完全一样。而如果不加前馈作用，即若W(s)0，显然，B由于W(s)0，因此扰动对系统输出是有影响的。DZ（2）复合控制系统补偿控制的规律不仅与对象控制通道和干扰通道的传递函数有关，还与反馈调节器的位置有关。若复合控制系统的组成如图（4）所示，反馈调节器与图（3）相比，不是放在前馈信号前面，而是放在后面，则有：可得完全补偿条件：W(s)W(s)DZB（7）显然与式（4）不同。W(s)WTD(s)（2）复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多。为放便比较，设系统为定值控制，即X(s)0，专门讨论扰动Z（s）对系统的影响。因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(s)的第二项不可能完全为零，令其为(s)，那么，纯前馈控制时：Y(s)[W(s)W(s)W(s)]Z(s)(s)Z(s)DZBD（8）加入反馈后，则：Y(s)(s)Z(s)（9）因为1W(s)WTD1(s)1，因此1WT(s)WD(s)Y(s)Y(s)11（10）对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。（3）前馈补偿对于系统稳定性没有影响。这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入—输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。4.三冲量给水控制系统一、给水控制的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保1持一直在一定范围内，具体要求有以下两个方面：（1）维持汽包水位在一定防卫内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至十汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时水位波动范围：30~50mm异常情况：200mm事故情况：350mm（2）保持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地剧烈运动，否则，将对声煤气和给水管道的安全运行不利。第二章.给水控制对象的动态特征汽包炉给水控制对象结构如图（6）所示。影响水位的因素主要有：过路蒸发量（负荷D），给水量G，炉膛热负荷（燃烧率M），汽包压力p。b控制系统的物质平衡方程为：A()dHGdtDdt(GD)dt（11）将式（12）进一步变换得：令CA(),则上式变为：（12）式中H——汽包水位，或；CdHGDdtA——汽水分离面积，m或cm；——水的密度，m2或cm2；——蒸汽密度，m3或kg/cm3；D——蒸发量，m3或kg/cm3；G——给水量，t/h或kg/s；C——容量系数。容量系数C是用来表征锅炉的结构系数的，而它的动态特性则往往用飞升速度好飞升时间来表征。对于汽包锅炉来说，由飞升速度的定义知dydH[(GD)]Cmax（13）(dt)max/Z()dtmax/HmaxHmax式中——飞升速度，1/s。把扰动量即水位变化量转成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位允许变化范围为200mm，这个范围扰动量的相对极限值为100%。式（14）中右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量G=0，而蒸发量为最大时，变化量最大，因此有：（14）dH(dt)max1CDmax可见这时的扰动量是下降的，故有：（15）1CDmax/Hmax(Dmax/Hmax)[1/A()]式中Dmax——锅炉最大的蒸发量；H——水位变化允许的最大范围。max飞升时间T为Taa1。对于蒸发量为100~230t/h的单汽包锅炉，当水位变化100mm时，T=60~30s，对于蒸发量为更大的汽包锅炉Taa=30s，它的意义在于当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在30s内将下降200mm，或者换句话说，如果给水量减少10%，经过30s的时间，水位将下降20mm.一、下面分别讨论各种扰动下水位变化的动态特性。1．给水量扰动下水位变化的动态特性图（5）中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的动态特性。从物质平衡的观点来看，加大了给水量G，水位应立即上升，但实际上并不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在次过程中，负荷还未发生变化，汽包中水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的迟延时间T为100~200s。非沸腾式省煤器的迟延时间T为30~100s。水位在给水扰动下的传递函数可表示为：H(s)/G(s)s1Ts(1Ts)s（16）水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联的形式。用一阶近似表示是：（17）H(s)/G(s)ses2．蒸汽流量扰动下水位的动态特性如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加ΔD时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图（7）中H(t)所示那1样，但实际水位是先上升，再下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图中H(t)所示。其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃烧量M还来不及增加，汽包中汽压p下b降，汽泡膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。如图（7）中曲线H(t)所示。在2开始的一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此，水位的变化应是上述两者之和，即：H(t)H(t)H(t)12（18）传递函数也为两者的代数和：H(s)K2（19）D(s)1Tss2式中T2——H2(t)的时间常数，约为10~20s；K2——H2(t)