第五章 前馈及复合控制系统
过程控制系统第五章 前馈控制系统
5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制系统框图如图5-3所示。
Wm (s)
F (s)
W0 (s)
Wf (s)
Y (s)
图5-3 前馈控制系统框图
图中， Wm (s)为前馈控制器，传递函数 Wf (s) 为过程扰动通道传递函数；W0(s) 为过程控制通道传递函数；F(s) 为系统可测不可控扰动；Y (s) 为被控参数。
（5-5）
式（5-5）右边第一项是扰动量 F(s) 对被控量Y (s) 的影响，第二项是前馈控制作
用，第三项是反馈控制作用。
5.2 前馈控制系统的结构形式
对图5-5a所示前馈-反馈控制系统，输出对扰动 F(s) 的传递函数为
Y (s) Wf (s) Wm (s)W0 (s) F(s) 1Wc (s)W0 (s)
（5-6）
注意到在单纯前馈控制下，扰动对被控量的影响为
Y (s) F (s)
Wf
(s)
Wm (s)W0 (s)
（5-7）
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 1/ [1Wc (s)W0 (s)] 。 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。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1.1 反馈控制的特点
a）原理示意图 图5-1 换热器温度反馈控制系统
图5-1为换热器温度控制系统原理框图。图中，
p
D2为 为热蒸流汽体压温力度；T；T 为1 为温冷度流测体量温变度送；器q；为20流为体热流流量体；温q度D给为定蒸值汽；流量；
第五章 复合控制系统控制系统
(1)
(2)
•微分先行：式(3)、式(4)。
k c (TI s + 1)e −τs Y( s ) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs ( 3)
2、解决办法
•两塔之 间增设缓冲器 (不适宜)。 •采用均 匀控制系统 (上策)。 3、均匀控制的含义 •是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 、均 匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协 调的系统。
4、均匀控制的特点 •表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变 化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。
四、前馈--串级控制系统
1、方法的提出 •为了保证前馈控制 的精度，常希望控制阀 灵敏、线性等； •采用串级控制系统 可满足以上要求。 2、原理与结构图
3、应用举例：
思考题
1、前馈控制有哪几种主要型式？ 2、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 3、为什么一般不单独使用前馈控制方案？
第六章 大滞后补偿控制
§ 6- 1 克服纯 滞后的 几种常 见方案
6.2
6.3
1、预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，但需 控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 2、采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。 3、改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 4、其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
第七章 实现特殊要求 2 3 4 的过程控制系统
一、概述
§7-1 比值控制系统
控制工程基础第五章——校正
三 系统常用校正方法（2）
前馈校正 （复合控制）
对输入的
对扰动的
系统校正的基本思路
系统的设计问题通常归结为适当地设计串 联或反馈校正装置。究竟是选择串联校正还是 反馈校正，这取决于系统中信号的性质、系统 中各点功率的大小、可供采用的元件、设计者 的经验以及经济条件等等。
一般来说，串联校正可能比反馈校正简单， 但是串联校正常需要附加放大器和（或）提供隔离。 串联校正装置通常安装在前向通道中能量最低的地方。 反馈校正需要的元件数目比串联校正少，因为反馈校 正时，信号是从能量较高的点传向能量较低的点，不 需要附加放大器。
显然不满足要求。
令 20lgG(j0)0 或 G0(j0) 1 可求得ω0，再求得γ。
☆ 超前校正设计的伯德图
☆ 超前校正设计⑵
☆ 超前校正设计⑶
⒊确定超前校正装置的最大超前相位角
m4 52 75 23
⒋确定校正装置的传递函数
①确定参数α ②确定ωm
1 1 s sii n n m m1 1 s sii2 2n n 3 32.28
PID 传递 函数
G c(s)U E ((s s))K PK I1 sK D s
Gc(s)KP(1T1IsTDs)
KP——比例系数；TI——积分时间常数； TD——微分时间常数
二 PID控制器各环节的作用
比例环节 积分环节 微分环节
即时成比例地反映控制系统的偏差 信号，偏差一旦产生，控制器立即产 生控制作用，以减少偏差。
为了充分利用超前装置的最大超前相位角，一般取校正后系统的
开环截止频率为 0 m 。故有 Lc(m)L(0 ' )0d B
于是可求得校正装置在ωm处的幅值为
2 lG 0 g c (jm ) 1 l0 g 1 l2 0 g .2 3 8 .5 d8 B最后得校正装置
§5前馈及复合控制系统
§5前馈及复合控制系统基本要求：前馈控制系统的结构、特点和应用场合1．掌握反馈控制和前馈控制的特点比较2．掌握前馈控制系统的结构形式3．掌握前馈控制系统的选用原则4．了解前馈控制系统控制参数的工程整定5．了解前馈控制系统的工业应用§5.1前馈控制的基本概念一．反馈控制与前馈控制的特点（比较）以换热器温度控制系统为例反馈：（1）基于偏差来消除偏差（2）不及时，调节器的动作落后于扰动的发生，（检测被调参数） 要等到被控变量发生变化，产生偏差才有控制动作/*才有控制量输出（3）（稳定性）闭环，（调节效果可通过反馈检验）（4）可消除多种扰动（5）调节规律，P，PI，PID等，“通用”前馈：（1）基于扰动来消除扰动对被控量的影响（2）及时，（检测干扰量）（3）开环（4）指定性补偿，一种前馈作用只能克服一种干扰（5）取决于被控对象，专用，取决于干扰通道和调节通道的特性，对象不同，前馈调节器的形式不同，二．前馈控制器设计1．不变性原理：即当扰动f（t）≠0时，输出y（t）=0（1）绝对不变性过渡过程动态、静态偏差均为零（2）ε不变性|y(t)|< ε （f （t ）≠0） （3）稳态不变性动态偏差不为零，静态偏差为零)t (y lim ,0)(t =≠∞→t f 当2．前馈控制器传递函数 前馈控制系统框图：可见：前馈控制器由扰动通道和控制通道的特性决定。
实现不变性的结构§5.2前馈控制系统的几种结构形式 介绍几种典型的一．单纯前馈控制系统可以前面加热器为例，流程图和方框图1．静态前馈控制系统依据稳态不变性，只要求稳态时实现对扰动的补偿K KK W fm m -=-= 比例环节2．动态前馈控制系统静态前馈的缺点：存在动态偏差依据绝对不变性原理，提高动态品质)()()(0s W s W s W f m -= 结构复杂 （4-30）根据不变性原理推出的前馈控制器模型二．前馈-反馈复合控制系统 1．前馈控制的局限性（缺点） 开环：偏差得不到检测难以实现完全补偿：（1）扰动通道f W 和控制通道0W 的特性难以完全掌握，且非线性也导致参数变化，而原有的前馈模型不能适应。
第五章2 前馈-反馈控制系统
东北大学
前馈—反馈控制系统框图
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
前馈—反馈控制系统优点：
(1) 由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统， 只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控 制予以校正； (2) 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为 工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；
K 1 K ] T2 s 1
T1 1时，有 T2 (T1/T2 )-1 T T s 1 1 1 1] K f 1 T2 s 1 T2 T2 s 1
W f ( s) K f [
东北大学
常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
K T s 1 正微分器的传递函数： W正 ( s ) d 1 T1s 1 T2 s 1 K d T2 s 1
Wm (s)
o ，则动态前馈控制器为
K f (T o s 1) Ko (Tf s 1) Km (T o s 1) Tf s 1
K o (T f s 1)
W f ( s) Wo (s)
如果 T f To ，则
Wm (s) Km (s)
显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时， 动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前 馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况。
(3) 负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补 偿，因此具有一定自适应能力。
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式 前馈—反馈控制系统的局限性： (1) 前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制
阀，这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系
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……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………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。
第五章2前馈-反馈控制系统
5.2.3 前馈控制规律
2.模拟仪表实施
• KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。
WFF (s) K F
•
KF
T1 s T2 s
1 1
型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。
不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：
m
f
(t)
1
T2 T1 T2
T2s 1
-
+
输出
+
K
t
W
f
(s)
K
f
[
T2
K s 1
1
K
]
K T1 1 T2
令K T1 1时，有 T2
Wf
(s)
K
f
[(T1/T2 )-1 T2s 1
1
T1 T2
1]
Kf
T1s 1 T2s 1
东北大学
常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
(3)前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要 受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道 的传递函数和控制通道的传递函数的变化。
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
3．前馈-反馈控制系统
反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高 控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案.
误差分析： 由于对象干扰通道和调节通道的动态特性
不同所引起的动态偏差，这种偏差是静 态前馈控制无法避免的。
过程控制-第5章-前馈控制系统-xu
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
对象
④只对被测量的可测而不可控的扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。 即前馈控制具有指定性补偿的局限性。 ⑤前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
FS N W ff
X
Y2
cp hS
( X Y2 ), X 设定温度
cp hS
Σ
Mff FS
-
× N
×
FC
Cp/hS
Y
静态前馈控制原理图
2、 前馈-反馈复合控制系统
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，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。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。
?前馈基于干扰控制反馈基于偏差控制?抑制干扰前馈控制比反馈控制及时有效?前馈控制属于开环控制系统反馈控制是闭环控制系统?前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器反馈控制采用通用pid控制器?一种前馈控制只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合??系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰这些干扰对被控参数影响显著单用反馈控制达不到质量要求时
复合控制系统
Q(s) Q(s)
Gd(s) Gp(s)
干扰通道 干扰通道
Tg(s) -T(s)
+
反馈控制器
+ + Gv(s) 调节阀
_
G Gc (s) c(s)
+ T(s) +
热交换器 热交换器
T ) G ( )Q ){ { Q G G s ) ( s s ) )Q Q ( ( ( s s s ) ) ) G [ G T (( s ( s )[ s )[ )] G T T (( ( ss s )] )]} )G )G Qd (s )G T( s( )s G (d s )s Q (s( )s G ( s( )G Q (s ) G ( s )[ T ( s )]} (v s( )s G s( )s) vG d ff ff ff cc c ff ( c p (p T (s) Q(s)Gd (s) Q(s)G ff (s)Gv (s)Gp (s) T (s)Gc (s)Gv (s)Gp (s) [1 Gc (s)Gv (s)Gp (s)]T (s) [Gd (s) G ff (s)Gv (s)Gp (s)]Q(s)
T ( s) Gd (s) G ff (s)Gv (s)G p (s) 1 Gc (s)Gv (s)G p (s) Q(s)
返回
前馈控制器 Gff(s)
Q(s)
干扰通道 Gd(s) +
Gv(s)
调节阀
Gp(s) 热交换器
T(s)
+
T ( s) Q( s) G ff ( s)Gv ( s)G p ( s) Q( s) Gd ( s)
控制目标： T ( s) 0
C5前馈反馈过程控制系统
1 加热炉温度反馈控制系统
加热炉温度反馈控制系统
1
2 加热炉温度反馈控制系统在被加热物料流量变化较 大情况下存在的问题
加热炉温度反馈控制系统
2
3
加热炉温度反馈控制系统在被加热物料流量变化 较大情况下系统性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的仿真
3
4
加热炉的前馈—反馈控制系统
4
5
加热炉前馈—反馈控制系统的方框图
15
15 换热器前馈—反馈温度控制系统虚拟软件
16 结论 对于较大的可测的扰动，其对控制系统性能的影 响，可以考虑用前馈的方法予以消除。 前提是了解该扰动通道的传递函数或特性，而设 计出相应的前馈控制器。
前馈控制器一般和反馈控制器一起由软件编程实 现。
16
F2(s) W02(S) W01(S)
Wf (S) ﹢
12
F(s)
Wcm(S ﹢ Wc1(S) ﹢ ﹢ Wc2(S)
F2(s) ﹢ W02(S) W01(S)
Wf (S) ﹢
F(s)
Wcm(S W02’(S) =
﹢ Wc1(S) ﹢
Wc2(S) · W02(S) 1 + Wc2(S) · W02(S) W01(S) Wf (S) ﹢
F(s) Wcm(s) Wf (s) ＋ W0 (s) ＋ Y
＋ Wc(s) R
＋ ＋
M
Wm(s)
5
6
前馈控制器传递函数Wcm (s)的推导
为使得干扰F(s)对被控参数Y (s)没有影响， 需有 F(s) · Wcm(s) · W0(s) + F(s) · Wf(s) = 0 既 F(s) · [ Wcm(s) · W0(s) + Wf(s) ] = 0 所以应有： [ Wcm(s) · W0(s) + Wf(s) ] = 0 则 Wcm(s) = - Wf(s) / W0(s)
第五章-前馈及复合控制系统华交自动控制工程
前馈控制的几种结构形式
3、前馈-反馈复合控制系统
特点：吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时
的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行 反馈检测的长处。
实例
前馈控制器
定； – 具有指定性补偿的局限性； – 控制规律取决于被控对象的特性。
前馈控制的基本概念
换热器的前馈控制系统
蒸汽 前馈补偿器
蒸汽压力、流量 pD , qD
FT
被加热物料
流量 q
冷凝液
热流体温度 2
q
前馈控制的基本概念
前馈控制与反馈控制比较
设定
反馈控制器
执行器
干扰
被控变量 对象
前馈控制器
测量变送
前馈控制系统的工业应用举例
冷凝器温度 前馈-反馈复合控制系统
蒸汽 qs
温水T
FT
P
冷
凝
器
T
T0
TT TC +
+
冷却水
T0
+ -
qs
Wm(s)
Wf(s)
Wc(s)
W0(s)
T
系统框图
FFC
工艺：从汽轮机出来的蒸汽经冷凝器以后，变成温水，再由循环泵送至
除氧器，经过除氧处理后的温水，可继续作为发电锅炉的给水。
前馈控制系统的工业应用举例
冷凝器温度前馈-反馈复合控制系统：
(1) 冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度，控制 量是冷却水的流量。
(2) 系统采用前馈-反馈控制方式，利用蒸汽和被冷 却后的温水温度信号控制冷却水的阀门开度。
前馈—反馈复合控制系统
目录课程设计任务书一、前馈—反馈复合控制系统1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念 (3)1.2、概念的理解 (3)1.3、前馈—反馈系统的组成.........................................3—4 1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点.. (4)1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计 (4)二、控制系统的硬件设计2.1、S7—300系统组成 (4)2.2、CPU315—2DP (4)2.3、模式选择开关…………………………………..…….4—52.4、状态及故障显示 (5)三、控制系统的软件设计3.1、硬件组态 (5)3.2、工程管理器的使用 (6)3.3、新建工程....................................................6—9 3.4、组态监控画面. (9)3.5、组态变量……………………………………………9—10 3.6、软件编程…………………………………………..10—153.7、实验结果分析……………………………………….15—17四、控制系统的调试五、实验总结一、前馈—反馈复合控制系统1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念前馈—反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其他的干扰信号，这样的系统就是前馈—反馈复合控制系统。
1.2、概念的理解：（1）复合控制系统是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈、反馈（2）前馈控制系统的作用是对主要的干扰信号进行补偿，可以针对主要干扰信号，设置相应的前馈控制器（3）引入反馈控制，是为了是系统能够克服所有的干扰信号对被调量产生的影响，除了已知的干扰信号以外，系统中还存在其他的干扰信号，这些扰动信号对系统的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们肯本就考虑不到或是无法测量，都通过反馈控制来克服。
（4）系统中需要测量的信号既有被调量又有扰动信号。
复合控制系统
Q(s)
干扰通道 Gd(s) +
G
ff
G d (s) (s) = − G v ( s )G p ( s )
Gv(s) 调节阀
Gp(s) 热交换器
T(s)
+
——前馈控制器传递函数
前馈控制是针对系统的某种特定干扰而进行的补偿， 是在被控制量“变化前”提前进行的“超前补偿”。
前馈与反馈的比较
T ( s) = Gd ( s ) + G ff ( s )Gv ( s )G p ( s) 1 + Gc ( s )Gv ( s )G p ( s ) ⋅ Q( s)
返回
复合控制系统
—前馈-反馈控制
热能工程学院 王桂荣
应用实例——热交换器的控制
被控量是热水出水温度， 控制量是蒸汽流量。 如果出水温度比期望的温 度值低，就要加大蒸汽流 量； 如果出水温度比期望的温 度值要高，就要减少蒸汽 流量。
进水 控制器
TE
蒸汽
出水
冷凝水 蒸汽-水型热交换器
反馈控制
干扰
tg
+
_
T (s) = Q( s )Gd ( s ) + Q( s )G ff ( s )Gv ( s )G p ( s ) − T ( s )Gc ( s )Gv ( s )G p ( s ) [1 + Gc ( s )Gv ( s )G p ( s )]T ( s ) = [Gd ( s ) + G ff ( s )Gv ( s )G p ( s )]Q( s )
Gd ( s ) + G ff ( s )Gv ( s )G p ( s) 1 + Gc ( s )Gv ( s )G p ( s )
第 5章 前馈控制系统
• 所谓“虚假水位”即在燃料量不变的情况下，当 蒸汽用量（即负荷）突然增加时，会使汽包内的 压力突然降低，水的沸腾加剧，加速汽化，汽泡 量也突然增加，由于汽泡的体积比水的体积大很 多倍，结果形成了汽包内水位升高的假象。反之， 当蒸汽用量突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧上 升，水的沸腾暂时停止，结果造成水位瞬时下降 的假象。对于“虚假水位”，在系统设计时常作 如下考虑，即采用蒸汽流量为前馈信号，汽包水 位（主参数）和给水流量（副参数）串级，构成 前馈—反馈串级控制系统，如图所示。
α =T1/T2
1.当α >1时，即 T1> T2,前馈 补偿带有超前性，适用于对 象控制通道滞后大于干扰通 道滞后。 2.当α <1时，即 T1<T2,前馈 补偿带有滞后性，适用于对 象控制通道滞后小于干扰通 道滞后。
T1>T2（超前）
T1<T2（滞后）
5.4 前馈控制系统的应用
前馈控制系统的应用原则： （1）对象的滞后或纯滞后（控制通道）较大，反 馈控制难以满足工艺要求，可以采用前馈控制 把主要干扰引入前馈控制，构成前馈-反馈控制 系统。 （2）系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅 值大且对被控变量影响显著的干扰，可采用前 馈控制大大提高控制品质。 （3）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系， 则需要通过建立数学模型来实现控制。 在决定选用前馈控制方案后，当静态前馈 能满足工艺要求时，不必选用动态前馈。
G PD s
K2 T2 s 1
e
1 s
G PC
T1 s 1
f
s
s
K1 T1 s 1
e
2 s
G
ff
s
G PC S
第五章(三) 前馈反馈控制技术(全)
前馈控制系统的稳定性
前馈控制是开环控制，必须要求系统中的每一个环节 要稳定。对于无自平衡能力的系统，不能单独使用前馈控 制。 事实上，只要反馈或串级控制系统的稳定的，则相应 的前馈－反馈系统或前馈－串级控制系统也是稳定的。
2014-2-26
30
前馈控制方案的选用原则
2014-2-26
2014-2-26
3
反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
2014-2-26
4
反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
2014-2-26
5
反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
反馈控制的本质是“基于偏差来消除或抑制偏差”。如 果没有偏差出现，也就没有控制作用。 无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏差后， 控制器才动作。故控制器的动作总是落后于扰动作用的发 生，是一种相对“不及时”的控制。
18
前馈反馈控制—前馈控制器设计
2014-2-26
19Leabharlann 前馈反馈控制—前馈控制器设计 传递函数为：
Dn(s) Un(s) R(s) E(s) U1(s) U(s) D(s) G(s) N(s)
Y ( s ) Gn ( s ) + Dn ( s )G ( s ) = N (s) 1 + D( s )G ( s )
33
数字前馈-反馈控制系统
2014-2-26
34
数字前馈-反馈控制系统—控制算法步骤
2014-2-26
35
数字前馈-反馈控制系统—控制算法步骤
2014-2-26
36
本节小结 • 反馈控制和前馈控制的特点 • 不变性原理与前馈控制器 • 前馈控制的几种结构形式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈－反馈控制系统 数字前馈－反馈控制算法 数字前馈－反馈控制算法步骤 前馈控制的选用原则 前馈－串级控制系统
企业安全文化创建中前馈-反馈复合控制原理的应用(图文)
企业安全文化创建中前馈-反馈复合控制原理的应用(图文)1创建安全文化的意义企业安全文化是全体员工共同遵守的行为准则，发挥着重要的作用它支配着人们的思维方式，规范着人们的行为习俗，约束着人们的情感抒发，左右着人们的审美趣味，规定着人们的价值取向，体现出强烈的终极关怀。
随着社会实践和生产实践的发展，人们发现尽管有了科学技术手段和管理手段，但对于搞好安全生产来说，还是不够的。
科技手段达不到生产的本质安全，在安全管理上，要时时、事事、处处监督企业每一位职工遵章守纪，是一件困难的事情，甚至是不可能的事。
安全文化却可以弥补安全管理手段的不足。
安全文化之所以能弥补安全管理的不足，是因为安全文化注重人的观念、道德、伦理、态度、情感、品行等深层次的人文因素，通过教育、宣传、奖惩、创建群体氛围等手段，不断提高企业职工的安全修养，改进其安全意识和行为，从而使职工从不得不服从管理制度的被动执行状态，转变成主动自觉地按安全要求采取行动，即从“要我安全”转变成“我要安全”。
因此，创建安全文化有着极其重大的意义。
2前馈—反馈复合控制的原理控制就是根据确定的目标，使事物向着这一目标不断趋近，反馈控制就是把系统输出的信息的某一部分，返回到输入端，对系统输入再输出的信息施加影响，使系统沿着减少目标差的方向实现控制，克服环境扰动带来的不稳定性，使系统达到动态平衡。
前馈控制系统，在受控部位的活动发生偏差之前就发出控制指令。
是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。
如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。
前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。
在实际工作中，并不是所有的干扰都是可测的，而且大多数控制对象在运行的同时自身也在发生变化。
所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。
这时就需要加入反馈，反馈控制系统，是在感受到受控部位的活动发生偏差之后发出控制指令。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
独立，难以或不允许通过专门的控制回路予以控 实现前馈控制的必要条件：
1. 扰动可测但是不可控； 2. 变化频繁且变化比较快的扰动； 3. 扰动影响显著，反馈控制难以及时克服，且 过程对控制精度要求又十分严格的情况
例如 ：加热炉温度系统，扰动量被加热物料的流量和初始温度与燃料
热值的变化、压力、流量的变化，符合不可控性，可采用前馈控制。
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的基本概念
前馈控制的局限性
1）完全补偿难以满足，因为：
* 要准确掌握过程扰动通道特性Wf(s)及控制 通道特性Wo(s)是不容易的； * 即使前馈模型Wm(s)能准确求出，有时工程 上也难以实现； * 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，这将会使控制系统庞大而复杂。 2）只能克服可测不可控的扰动
进料流量 反馈主控制器
反馈副控制器
说明：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。
前馈控制器
燃料油流量
加热炉出口温度前馈-串级控制系统
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
前馈-串级复合控制系统框图
Wangyu yuki1120@
Process Control System F
Wm(s)
前馈控制的基本概念
前馈控制原理
W0(s)
Wf(s)
Y
原理：根据不变性原理，即被控变量与干扰 量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立。 推导： Y(S)/F(S)=Wf(S)+Wm(S)Wo(s)=0 所以Wm(s)= - Wf(S)/Wo(s) 前馈控制器= - 干扰通道对象特性/控制通道对象特性 负号：表示控制通道与干扰通道作用相反。 前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道 对象特性决定 。
Wm ( s)
W f ( s) W01 ( s)Y2 ( s) / X 2 ( s)
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的稳定性
对系统中每一个组成环节的稳定性程度都必须 予以足够的重视。 对于无自衡能力的生产过程，通常不能单独使
令Y(s)/F(s)=0即可。
② 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性
前馈--反馈控制的优点
① 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯
前馈控制系统； ② 降低了对前馈控制精度的要求，对工况变动引起的对象
非线性特性参数的变化具有一定自适应能力；
③ 比纯反馈控制具有控制精度高、稳定速度快的特点。
扰动量为烟囱挡板位臵的变化将影响炉膛传递函数，即影响控制 通道的传递函数，即会影响W0(s)，因而不能采用前馈控制。
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制系统的工业应用举例
冷凝器温度 前馈-反馈复合控制系统
蒸汽 qs
P
FT
冷 凝 器 冷却水
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
简化框图
Wm(s) F1
Wf(s) X1 Wc1(s) X2 Y2(s)/X2(s) Y2 W01(s) Y1
Y1 (s) W f (s) Wm (s)W01 (s)Y2 (s) / X 2 (s) F1 (s) 1 Wc1 (s)W01 (s)Y2 (s) / X 2 (s)
第五章 前馈及复合控制系统
Process Control System
本章主要内容
1、 前馈控制的基本概念(*) 2 、前馈控制系统的几种结构形式(*)
3 、前馈控制系统的稳定性(*)
4、 前馈控制的选用原则
5 、前馈控制系统工业应用举例
6、前馈控制系统的工程整定
Wangyu yuki1120@
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
1. 静态前馈控制系统：
控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。 令前馈控制器传函满足下式即可：
Wm ( s) K m
Kf Ko
Wangyu yuki1120@
前馈控制原理：利用对扰动信号的采样，预估被控量的变 化而提前产生控制输出，以抑制被控量的变化，达到使被 控量稳定的目的。 特征：以扰动作为控制环节的输入信号，属于开环控制。
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的基本概念
二、前馈控制的特点 ：
Y ( s) W f ( s) Wm ( s)W o( s) F ( s) 1 Wc ( s)Wo ( s)
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
分析得到： ① 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。
Y ( s) W f ( s) Wm ( s)W o( s) F ( s) 1 Wc ( s)Wo ( s)
Process Control System
前馈控制的基本概念
复习
蒸汽压力、流量 蒸汽 热流体温度给定
TC
20
pD , qD
TT
1 冷流体温度
被加热物料 流量 q 热流体温度
2
q
冷凝液
反馈控制的特点 ：
• • • • • 基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ； 存在稳定性问题； 对各种扰动均有校正作用； 控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律
qs Wm(s) Wc(s)
-
Wf(s) W0(s) T
温水T
T TT T0 TC
T0
+
+ +
系统框图
FFC
工艺：从汽轮机出来的蒸汽经冷凝器以后，变成温水，再由循环泵送至
除氧器，经过除氧处理后的温水，可继续作为发电锅炉的给水。
Wangyu yuki1120@
Process Control System
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的基本概念
一、前馈控制的引入与原理
PID控制是以偏差为输入量进行调节，当扰动输入出 现时，首先引起偏差产生，控制器才开始动作。即控制输 出有延迟，若能对干扰信号进行采样，预估其作用，提前 产生控制输出，则能减少延迟，提高控制性能。这就是前 馈控制。
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
两者区别：
静态前馈控制只能有效抑制静态偏差；动态前馈控制 不但有效抑制静态偏差；而且能有效抑制动态偏差。 动态前馈的实现基于不变性原理；其中Wm(s)非纯比 例环节。 动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质， 但结构往往比较复杂；需要专门的控制装臵,系统运行、
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
2. 动态前馈控制系统
动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上 看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。 动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的
函数，而且也是时间的函数。要求前馈控制器
的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接 近或等于零。
前馈控制的基本概念
前馈控制与反馈控制比较
干扰 设定 反馈控制器 执行器 对象 干扰 被控变量 前馈控制器 测量变送 被控变量 测量变送 执行器 对象
• 前馈控制比反馈控制及时有效 • 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统 • 前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采 用通用PID控制器
因而是前馈控制中广泛应用的控制系统
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
4. 前馈--串级控制系统 方法的提出
当生产过程受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响且对控制精 度和稳定性要求又很高时，采用前馈-串级控制系统。
出口温度
整定也比较复杂；
只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难 以满足、且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才
考虑使用动态前馈方案。
Wangyu yuki1120@
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
3、前馈-反馈复合控制系统
特点：吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时
前馈控制系统的工业应用举例
冷凝器温度前馈-反馈复合控制系统：
(1) 冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度，控制
量是冷却水的流量。 (2) 系统采用前馈-反馈控制方式，利用蒸汽和被冷 却后的温水温度信号控制冷却水的阀门开度。 (3) 蒸汽流量是可测不可控且经常变化的扰动因
素，对蒸汽的流量进行前馈控制，使冷却水流 量跟随蒸汽流量的变化而提前变化。
Process Control System
前馈控制的几种结构形式
单回路前馈-反馈复合控制系统
F Wm(s) X
+ 前馈信号接在反馈控制器之后
Wm(s)
Wc(s)
F Wf(s) W0(s) Y
Wf(s) W0(s) Y X
+ + -
Wc(s)
Wc(s)
前馈信号接在反馈控制器之前
上图所示前馈-反馈控制系统，对于图1可知， 在扰动F(s)的作用下，系统输出为： Y(s)=Wf(s)F(s)+Wm(s)W0(s)F(s)-Wc(s)W0(s)Y(s) 输出对扰动F(s)的传递函数：