Implementierung der Feed-Forward-Regelung in DCS-Plattformen

Wann Feed-Forward-Regelung die richtige Wahl ist

Feed-Forward-Regelung ist effektiv, wenn drei Bedingungen erfüllt sind. Erstens ist die Störung in Echtzeit messbar. Zweitens wirkt die Störung vor oder gleichzeitig mit ihrer Auswirkung auf die geregelte Größe. Drittens ist die Prozessverzögerung von der Störung bis zur geregelten Größe länger als die Anstiegsrate der Störung. Die Verbrennungsluftregelung in Kesseln erfüllt alle drei Bedingungen – Änderungen der Brennstoffdurchflussanforderung sind schnell, über den Brennstoffdurchflusssensor messbar, und die Sauerstoffsensorreaktion hat eine Verzögerungszeit von 8–15 Sekunden.

Allein mit rückgekoppelter Regelung treten O2-Schwankungen von ±1,5 % bei Laständerungen auf. Die Hinzunahme von Feed-Forward reduziert diese auf ±0,3–0,5 %. Feed-Forward ist jedoch nicht geeignet, wenn die Störungsmessung verrauscht oder unzuverlässig ist. Wenden Sie vor der Verwendung als Feed-Forward-Eingang einen Tiefpass erster Ordnung mit einer Zeitkonstante von 2–5 Sekunden auf die Störungsmessung an.

Lead-Lag-Filter-Design

Der Kern eines Feed-Forward-Designs ist der Lead-Lag-Dynamikkompensator. Die Übertragungsfunktion lautet:

G_FF(s) = K_FF × (T_lead × s + 1) / (T_lag × s + 1)

Berechnen Sie K_FF aus dem Prozessverstärkungsverhältnis: K_FF = (K_Prozess_Störung) / (K_Prozess_Stellgröße). In einem Verbrennungsluftkreis, wenn eine 1 %ige Erhöhung der Brennstoffdurchflussanforderung eine 0,95 %ige Erhöhung des Luftdurchflusses erfordert, dann ist K_FF = 0,95.

Bestimmen Sie T_lead und T_lag aus Sprungantwortdaten. Wenn die Brennstoffdurchflussänderung den Brenner in 2 Sekunden erreicht und den O2-Wert in 12 Sekunden beeinflusst, während eine Luftklappenänderung den O2-Wert in 8 Sekunden beeinflusst, beträgt die erforderliche Vorlaufzeit ungefähr 12 − 8 = 4 Sekunden. Setzen Sie T_lead = 4 s. Setzen Sie T_lag auf die Prozesszeitkonstante des Luft-zu-O2-Pfads, typischerweise 5–8 Sekunden. Beginnen Sie mit T_lag = 6 s und passen Sie während der Inbetriebnahme an.

Implementierung in Emerson Ovation

Emerson Ovation verwendet die Funktionsblockdiagramm-Umgebung (FBD) zur Konfiguration der Regelstrategie. Die Ovation OCC100 Controller-Bibliothek enthält einen LEADLAG-Block und einen FFWD_ADDER-Block. Verbinden Sie die Störungsmessung (Brennstoffdurchfluss-PV) mit dem LEADLAG-Blockeingang. Setzen Sie den LEAD-Parameter auf T_lead (4 s) und den LAG-Parameter auf T_lag (6 s). Verbinden Sie den LEADLAG-Ausgang und den PID-Ausgang mit einem FFWD_ADDER-Block. Setzen Sie den GAIN_FF-Parameter auf K_FF (0,95).

Konfigurieren Sie die Feed-Forward-Ein-/Ausschaltlogik sorgfältig. Fügen Sie einen LOGIC-Block hinzu, der den LEADLAG-Ausgang deaktiviert, wenn die Signalqualität der Störungsmessung SCHLECHT oder UNSICHER ist. Prüfen Sie in Ovation den STATUS-Ausgangspin des AI-Blocks der Störungsmessung. Wenn STATUS nicht GUT ist, setzen Sie den LEADLAG-Ausgang über einen MUX-Block auf Null. Dies verhindert, dass der Ovation Controller eine fehlerhafte Feed-Forward-Korrektur anwendet.

Implementierung in GE Mark VIe

GE Mark VIe verwendet die Toolbox ST-Anwendungsumgebung. Die diskrete Lead-Lag-Gleichung lautet:

y[n] = (T_lead / (T_lead + T_scan)) × (x[n] − x[n-1]) + (T_lag / (T_lag + T_scan)) × y[n-1] + K_FF × x[n]

In einem 100-ms-Aufgabenrahmen betragen für T_lead = 4 s und T_lag = 6 s die Koeffizienten: Lead-Koeffizient = 0,976, Lag-Koeffizient = 0,983. Speichern Sie x[n-1] und y[n-1] in RETAIN-Variablen, um den Filterzustand bei Controller-Neustarts auf dem Mark VIe UCSC Controller zu erhalten.

Verwenden Sie den Mark VIe FFWD_GAIN-Parameterblock, um den Lead-Lag-Ausgang vor der Addition mit dem PID-Ausgang zu skalieren. Der Mark VIe PID-Block verfügt über einen dedizierten FFWD-Eingangspin. Verbinden Sie den skalierten Lead-Lag-Ausgang mit diesem Pin. Mark VIe summiert den FFWD-Eingang intern mit dem PID-Reglerausgang und führt bei Moduswechseln automatisch einen nahtlosen Übergang durch.

Inbetriebnahme und Validierung

• Schritt 1: Führen Sie einen Störsprungtest mit deaktiviertem Feed-Forward durch. Zeichnen Sie die maximale PV-Abweichung und die Erholungszeit auf. Dies ist die Basisleistung der reinen Rückkopplungsregelung.
• Schritt 2: Aktivieren Sie Feed-Forward. Wiederholen Sie den Störsprung. Ziel: Die maximale Abweichung soll um mindestens 50 % und die Erholungszeit um mindestens 30 % reduziert werden. Wenn die Verbesserung weniger als 30 % beträgt, passen Sie K_FF (+10 % bei unzureichender Korrektur) oder T_lead (+2 s, wenn die Korrektur zu spät ihren Höhepunkt erreicht) an.
• Schritt 3: Testen Sie die Fehlerbehandlung der Feed-Forward-Signalqualität. Erzwingen Sie im Engineering-Arbeitsplatz eine SCHLECHTE Qualität des AI-Blocks. Bestätigen Sie, dass der Feed-Forward-Ausgang innerhalb eines Controller-Scanzyklus (maximal 100 ms) auf Null schaltet.
• Schritt 4: Dokumentieren Sie die endgültigen Werte von K_FF, T_lead und T_lag im Instrumenten-Datenblatt und im DCS-Konfigurationsmanagementsystem. Erfassen Sie die Sprungantworttestergebnisse als Inbetriebnahme-Basislinie für zukünftige Leistungsprüfungen.

Fazit und Handlungsempfehlung

Feed-Forward-Regelung ist eine leistungsstarke Ergänzung zur PID-Rückkopplung bei Prozessen mit schnellen, messbaren Störungen. Berechnen Sie zuerst K_FF, T_lead und T_lag aus Prozess-Sprungantwortdaten, bevor Sie Werte eingeben – geschätzte Parameter führen zu schlechten Ergebnissen. Implementieren Sie zweitens eine Überwachung der Störsignalqualität sowohl in Emerson Ovation als auch in GE Mark VIe, um Rauscheintrag bei Senderfehlern zu verhindern. Validieren Sie die Leistung mit quantifizierten Sprungantwortdaten – eine Feed-Forward-Implementierung, die die Spitzenabweichung nicht um mindestens 50 % reduziert, sollte nachjustiert und nicht im Betrieb belassen werden. Überprüfen Sie die Feed-Forward-Verstärkung und die Lead-Lag-Parameter bei der jährlichen Instrumentenkalibrierung – ein bei der Inbetriebnahme gültiger K_FF-Wert kann nach drei Jahren Geräteverschleiß um 15–20 % abweichen.

Autor: Guo Peilin ist ein Industrieautomatisierungsingenieur mit über 10 Jahren Erfahrung in SPS-, DCS- und Regelungssystemen.