翁振斌

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械電子系，福建 三明 365000)

對(duì)一般系統(tǒng)來說，擾動(dòng)都是多個(gè)存在的，假如可能對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)都設(shè)置一個(gè)前饋調(diào)節(jié)器的話，那么可以想見一個(gè)被控對(duì)象的控制系統(tǒng)該是何等的復(fù)雜。而如果不控制這些“剩下”的擾動(dòng)，那么系統(tǒng)控制質(zhì)量還是得不到提高。[1]而且單純的前饋控制系統(tǒng)中并沒有反饋環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)就無法判斷控制效果并做出進(jìn)一步的校正。

1 前饋-反饋控制的特點(diǎn)及重要性

1.1前饋-反饋控制的特點(diǎn)。

由于單純前饋只能抑制特定的擾動(dòng)，而對(duì)一般系統(tǒng)來說，擾動(dòng)都是多個(gè)存在的，假如可能對(duì)每一個(gè)擾動(dòng)都設(shè)置一個(gè)前饋調(diào)節(jié)器的話，那么可以想見一個(gè)被控對(duì)象的控制系統(tǒng)該是何等的復(fù)雜！而如果不控制這些“剩下”的擾動(dòng)，那么系統(tǒng)控制質(zhì)量還是得不到提高。而且單純的前饋控制系統(tǒng)中并沒有反饋環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)就無法判斷控制效果并做出進(jìn)一步的校正。[2]

更為深刻的問題在于，前饋調(diào)節(jié)器算法緊緊依賴對(duì)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(duì)象特性的漂移就幾乎是不可避免的。因此，靠一個(gè)確定性前饋模型不可能獲得良好的控制品質(zhì)也就不奇怪了。

1.2前饋-反饋控制的重要性。

工業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制提出了更新的課題。采用一般常規(guī)的微分﹑積分﹑比例反饋控制系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足一些場(chǎng)合的特殊需要。人們希望把擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響減小到最低限度甚至是零。但是反饋控制回路中調(diào)節(jié)器是接受偏差信號(hào)后才能有控制作用輸出的，也就是說只有擾動(dòng)已進(jìn)入系統(tǒng)造成后果(偏差)時(shí)，控制器才能進(jìn)行“補(bǔ)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(fā)展起來的一種特殊控制規(guī)律。

前饋控制的思想其實(shí)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(diǎn)是依據(jù)輸入系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制。眾所周知，反饋控制系統(tǒng)中有一些慣性滯后環(huán)節(jié)，擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)后影響輸出要經(jīng)過一段時(shí)間，在未影響輸出前，由于未造成偏差，此時(shí)控制器不可能動(dòng)作；而當(dāng)造成偏差后，經(jīng)過測(cè)量變送元件的滯后送到調(diào)節(jié)器的信號(hào)才能使調(diào)節(jié)器由輸出信號(hào)到執(zhí)行器，經(jīng)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(jìn)行的負(fù)反饋控制。[3]由于存在多個(gè)滯后環(huán)節(jié)，因此負(fù)反饋控制是不可能及時(shí)的。而前饋控制的原理是力圖不給輸入的擾動(dòng)影響控制輸出的機(jī)會(huì)。理想的前饋通過恰當(dāng)?shù)乃惴ㄊ箍刂谱饔迷趧?dòng)態(tài)及靜態(tài)上都正好補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 本次實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)在MPCE-1000D的平臺(tái)上，將列管式熱交換器當(dāng)作冷卻器使用，通過對(duì)冷流流量F9的控制，使被冷卻的熱流F10的溫度T5降低到設(shè)定值。并且對(duì)熱流流量進(jìn)行前饋補(bǔ)償，進(jìn)行前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定。

通過此次設(shè)計(jì)，掌握前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法、掌握前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、掌握前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的投運(yùn)步驟。[4]

2.2 流程說明。

圖2-1為列管式熱交換器傳熱系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)流程包括：列管式熱交換器，管程入口流量F9，冷卻水泵電機(jī)開關(guān)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(diǎn)排氣閥S7(開關(guān))，排氣指示燈D2。

本熱交換器為列管式結(jié)構(gòu)，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(tǒng)Fig.2-1 Tubular Heat Exchanger Systems

2.3 操作變量。

S5 冷卻水泵電動(dòng)機(jī)開關(guān)；

S7 殼程高點(diǎn)排氣閥開關(guān)；

V9 管程處入口閥；

V10 殼程處入口閥。

3 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定

3.1.前饋-反饋控制系統(tǒng)簡介。

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

3.2.前饋-反饋控制系統(tǒng)組態(tài)圖。

具體控制方案和組態(tài)畫面如圖3-1所示。

3.3.換熱器前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)工藝過程描述。

前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)選用換熱器的工藝過程?？刂颇繕?biāo)為維持熱流的出口溫度T5。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及連接。

在本實(shí)驗(yàn)中涉及的相關(guān)設(shè)備包括換熱器，離心泵電機(jī)開關(guān)S5，冷流入口閥V09，熱流入口閥V10。

(1)在上位計(jì)算機(jī)打開測(cè)試軟件，選擇并且進(jìn)入換熱器工程狀態(tài)下。

(2)在盤臺(tái)上面進(jìn)行各條線路的連接。

①用黑色導(dǎo)線將流量F9,F10黑色插孔和液晶顯示器下部第三排11，12號(hào)黑色插孔連接，將F9,F10設(shè)定為液晶顯示器上對(duì)應(yīng)的第三排左數(shù)前兩個(gè)數(shù)字顯示。

②用黑色導(dǎo)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(hào)黑色插孔連接，將T2,T3,T4,T5設(shè)定為液晶顯示器上面對(duì)應(yīng)的第二排左數(shù)前四個(gè)數(shù)字顯示。

3.3.3 組態(tài)圖各模塊設(shè)置。

將控制器組態(tài)畫面中的各個(gè)模塊的參數(shù)按照表3-2進(jìn)行設(shè)置。

表3-2 模塊參數(shù)設(shè)置表

3.4控制方案運(yùn)行與調(diào)試。

3.4.1 系統(tǒng)投運(yùn)。

(1)前饋-反饋綜合控制效果測(cè)試

按照系統(tǒng)投運(yùn)步驟，將系統(tǒng)運(yùn)行至穩(wěn)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(shì)圖Fig.3-1 feedforward - feedback control effect trend

3.4.2 前饋控制效果測(cè)試。

(1)重新按照系統(tǒng)投運(yùn)步驟，將系統(tǒng)運(yùn)行至穩(wěn)定工況。

(2)將TIC-05投手動(dòng)狀態(tài)，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(shì)圖Fig.3-4 feedforward control effect trend chart

3.5.前饋-反饋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

如前饋-反饋控制系統(tǒng)效果趨勢(shì)圖3-5，得出前饋-反饋控制系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間如表格3-5。

4 結(jié)論

在前饋-反饋控制系統(tǒng)中，反饋控制不能很好解決的主要擾動(dòng)可以有前饋控制來克服，而對(duì)于其他干擾實(shí)行反饋控制(包括前饋模型漂移造成的疏漏)。同時(shí)，反饋的存在也使得系統(tǒng)得以檢驗(yàn)控制效果。前饋與反饋結(jié)合，這樣的前饋-反饋控制系統(tǒng)應(yīng)該是比較合理的。我們只需要對(duì)主要干擾實(shí)行前饋控制，而其他擾動(dòng)還是由反饋修正。因?yàn)榉答伩刂瓶梢园輰?duì)前饋不能完全補(bǔ)償?shù)哪遣糠謹(jǐn)_動(dòng)的抑制，所以使得在建立前饋數(shù)學(xué)模型時(shí)的精度要求可以不那么嚴(yán)格，允許在實(shí)施前饋時(shí)采用通用模塊。同時(shí)也“自適應(yīng)”了工況變化時(shí)前饋模型特性的變化，而反饋控制也是由于前饋控制對(duì)干擾所作及時(shí)的抑制，而大大減小了自身的負(fù)擔(dān)。[6]

[1]徐兵.過程控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]邵裕森,戴先中.過程控制工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

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

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

[5]蔣慰孫,俞金壽.過程控制工程[M].北京:輕工業(yè)出版社,1998.

[6]金以慧.過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.