基于模擬鍋爐的前饋控制系統的設計

翁振斌

(三明職業技術學院 機械電子系，福建 三明 365000)

對一般系統來說，擾動都是多個存在的，假如可能對每一個擾動都設置一個前饋調節器的話，那么可以想見一個被控對象的控制系統該是何等的復雜。而如果不控制這些“剩下”的擾動，那么系統控制質量還是得不到提高。[1]而且單純的前饋控制系統中并沒有反饋環節，控制系統就無法判斷控制效果并做出進一步的校正。

1 前饋-反饋控制的特點及重要性

1.1前饋-反饋控制的特點。

由于單純前饋只能抑制特定的擾動，而對一般系統來說，擾動都是多個存在的，假如可能對每一個擾動都設置一個前饋調節器的話，那么可以想見一個被控對象的控制系統該是何等的復雜！而如果不控制這些“剩下”的擾動，那么系統控制質量還是得不到提高。而且單純的前饋控制系統中并沒有反饋環節，控制系統就無法判斷控制效果并做出進一步的校正。[2]

更為深刻的問題在于，前饋調節器算法緊緊依賴對象特性，且不說模型精度受到多種因素的限制，存在一定的誤差；隨著工況的變化，對象特性的漂移就幾乎是不可避免的。因此，靠一個確定性前饋模型不可能獲得良好的控制品質也就不奇怪了。

1.2前饋-反饋控制的重要性。

工業的不斷發展對工業生產過程的自動化控制提出了更新的課題。采用一般常規的微分﹑積分﹑比例反饋控制系統已經難以滿足一些場合的特殊需要。人們希望把擾動對系統的影響減小到最低限度甚至是零。但是反饋控制回路中調節器是接受偏差信號后才能有控制作用輸出的，也就是說只有擾動已進入系統造成后果(偏差)時，控制器才能進行“補救”。所以反饋控制思想是不可能滿足人們這一愿望的。前饋控制就是在這種情況下發展起來的一種特殊控制規律。

前饋控制的思想其實是一種很自然的，樸素的思想，那就是“防患于未然”，它的顯著特點是依據輸入系統的擾動信號進行控制。眾所周知，反饋控制系統中有一些慣性滯后環節，擾動進入系統后影響輸出要經過一段時間，在未影響輸出前，由于未造成偏差，此時控制器不可能動作；而當造成偏差后，經過測量變送元件的滯后送到調節器的信號才能使調節器由輸出信號到執行器，經過控制通道將偏離給定值的被控變量“拉回”。這是一種“按偏差”進行的負反饋控制。[3]由于存在多個滯后環節，因此負反饋控制是不可能及時的。而前饋控制的原理是力圖不給輸入的擾動影響控制輸出的機會。理想的前饋通過恰當的算法使控制作用在動態及靜態上都正好補償擾動對被控變量的影響，使得被控變量的波形完全看不到偏離給定值的跡象。從這個意義上來說，反饋是“按后果”控制，而前饋是按“前因”來控制。

2 MPCE-1000D實驗系統

2.1 本次實驗的總體設計。

本次設計在MPCE-1000D的平臺上，將列管式熱交換器當作冷卻器使用，通過對冷流流量F9的控制，使被冷卻的熱流F10的溫度T5降低到設定值。并且對熱流流量進行前饋補償，進行前饋-反饋復合控制系統的設計與整定。

通過此次設計，掌握前饋-反饋復合控制系統的參數整定方法、掌握前饋-反饋復合控制系統的設計要點、掌握前饋-反饋復合控制系統的投運步驟。[4]

2.2 流程說明。

圖2-1為列管式熱交換器傳熱系統。本實驗流程包括：列管式熱交換器，管程入口流量F9，冷卻水泵電機開關S5，管程入口閥V9，管程入口溫度T2，管程出口溫度T3，殼程入口流量F10，殼程入口閥V10，殼程入口溫度T4，殼程出口溫度T5，殼程高點排氣閥S7(開關)，排氣指示燈D2。

本熱交換器為列管式結構，起冷卻作用，管程走冷卻水(冷流)。含量30%的磷酸鉀溶液走殼程(熱流)。工藝要求：流量為18441 kg/h的冷卻水，從20℃上升到30.8℃,將65℃流量為8849 kg/h的磷酸鉀溶液冷卻到32℃。

圖2-1 列管式熱交換器傳熱系統Fig.2-1 Tubular Heat Exchanger Systems

2.3 操作變量。

S5 冷卻水泵電動機開關；

S7 殼程高點排氣閥開關；

V9 管程處入口閥；

V10 殼程處入口閥。

3 前饋-反饋復合控制系統的設計與整定

3.1.前饋-反饋控制系統簡介。

在前饋-反饋控制系統中，反饋控制不能很好解決的主要擾動可以有前饋控制來克服，而對于其他干擾實行反饋控制(包括前饋模型漂移造成的疏漏)。同時，反饋的存在也使得系統得以檢驗控制效果。所以前饋與反饋結合，這樣的前饋-反饋控制系統才是比較合理的。[5]

3.2.前饋-反饋控制系統組態圖。

具體控制方案和組態畫面如圖3-1所示。

3.3.換熱器前饋-反饋控制實驗

3.3.1 實驗工藝過程描述。

前饋-反饋控制實驗選用換熱器的工藝過程。控制目標為維持熱流的出口溫度T5。

3.3.2 實驗設備及連接。

在本實驗中涉及的相關設備包括換熱器，離心泵電機開關S5，冷流入口閥V09，熱流入口閥V10。

(1)在上位計算機打開測試軟件，選擇并且進入換熱器工程狀態下。

(2)在盤臺上面進行各條線路的連接。

①用黑色導線將流量F9,F10黑色插孔和液晶顯示器下部第三排11，12號黑色插孔連接，將F9,F10設定為液晶顯示器上對應的第三排左數前兩個數字顯示。

②用黑色導線分別將溫度T2,T3,T4,T5黑色插孔和液晶顯示器下部第二排6，7，8，9號黑色插孔連接，將T2,T3,T4,T5設定為液晶顯示器上面對應的第二排左數前四個數字顯示。

3.3.3 組態圖各模塊設置。

將控制器組態畫面中的各個模塊的參數按照表3-2進行設置。

表3-2 模塊參數設置表

3.4控制方案運行與調試。

3.4.1 系統投運。

(1)前饋-反饋綜合控制效果測試

按照系統投運步驟，將系統運行至穩定工況。

(2)將閥門V10開度由55%增大到60%，控制效果見圖3-3。

圖中，從下往上，第一條曲線為熱流出口溫度；第二條曲線為熱流入口流量；第三條曲線為熱流閥門開啟度；第四條曲線為冷流入口流量；第五條曲線為冷流閥門開啟度。

圖3-3 前饋-反饋控制效果趨勢圖Fig.3-1 feedforward - feedback control effect trend

3.4.2 前饋控制效果測試。

(1)重新按照系統投運步驟，將系統運行至穩定工況。

(2)將TIC-05投手動狀態，取消反饋回路的控制作用。

(3)將閥門V10開度由55%增大到60%，效果見圖3-4。

圖中，從下往上，第一條曲線為熱流出口溫度；第二條曲線為熱流入口流量；第三條曲線為熱流閥門開啟度；第四條曲線為冷流入口流量；第五條曲線為冷流閥門開啟度。

圖3-4 前饋控制效果趨勢圖Fig.3-4 feedforward control effect trend chart

3.5.前饋-反饋實驗數據分析。

如前饋-反饋控制系統效果趨勢圖3-5，得出前饋-反饋控制系統的超調量和調節時間如表格3-5。

4 結論

在前饋-反饋控制系統中，反饋控制不能很好解決的主要擾動可以有前饋控制來克服，而對于其他干擾實行反饋控制(包括前饋模型漂移造成的疏漏)。同時，反饋的存在也使得系統得以檢驗控制效果。前饋與反饋結合，這樣的前饋-反饋控制系統應該是比較合理的。我們只需要對主要干擾實行前饋控制，而其他擾動還是由反饋修正。因為反饋控制可以包容對前饋不能完全補償的那部分擾動的抑制，所以使得在建立前饋數學模型時的精度要求可以不那么嚴格，允許在實施前饋時采用通用模塊。同時也“自適應”了工況變化時前饋模型特性的變化，而反饋控制也是由于前饋控制對干擾所作及時的抑制，而大大減小了自身的負擔。[6]

[1]徐兵.過程控制[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2]邵裕森,戴先中.過程控制工程[M].北京:機械工業出版社,2000.

[3]施仁,劉文江.自動化儀表與過程控制[M].北京:電子工業出版社,1991.

[4]麥雪鳳,陳政強,彭炳華.基于前饋一串級控制的鍋爐汽包水位控制系統[J].冶金自動化,2007(6):51-53.

[5]蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程[M].北京:輕工業出版社,1998.

[6]金以慧.過程控制[M].北京:清華大學出版社,1993.