中国石油大学过程控制课件05-复杂控制-前馈-比值-分程-选择控制系统

F (s)0 T 0(s)0 G f(s)G d(s)G 0(s)0
Gd
(s)
Gf G0
(s) (s)
h
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前馈控制的特点
1. 开环控制，独立的前馈难以使用。 2. 根据干扰的大小控制，干扰必须可测。 3. 只对设计补偿的干扰起作用。 4. 调节规律由对象、干扰特性决定。
前馈的应用场合：
• 系统中存在可测、不可控、变化频繁、幅值大的干扰。
h
15
前馈控制与反馈控制的比较
前馈控制
反馈控制
扰动可测，但不要求被控量可测 被控量直接可测
超前调节，可实现系统输出的不 按偏差控制，存在偏差才能调节
变性（但存在可实现问题）
（滞后调节）
开环调节，无稳定性问题
闭环调节，存在稳定性问题
系统仅能感受有限个可测扰动 系统可感受所有影响输出的扰动
对于干扰与控制通道的动态模型，对通道模型要求弱，大多数情况
• 不变性原理： Q (S)0;T(S)0
Gd Gf Gv G0 Hmd
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前馈＋反馈控制的仿真
h
26
前馈加串级控制
h
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讨论
引入前馈控制的可能应用场合：
常规反馈控制系统难以满足要求； 干扰可测。
应用前馈控制的前提条件：
20
2、动态前馈控制
Y F((S s))Gf(S)Gd(S)G0(S)
由不变性原理： Gd(S) Gf (S)
G0(S)
设控制通道的特性为： 干扰通道的特性：
GG0(f S(S))TT0KSfKS0f11ee0Sf S
∴前馈补偿装置的传递函数为：
KdKf, K0
f 0
G d (S ) G G 0 f( ( S S ) ) K K 0 fT T 0 fS S 1 1 e ( fh 0 )S K dT T 0 fS S 1 1 e S
课堂提问1
相比反馈控制，串级控制更有效抑制干 扰，因此在控制方案选择时应首选串级 控制？
串级能够有效抑制副回路中的干扰，因 此应选择能包含最多干扰的那个变量作 为副变量？
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2
课堂提问2
Tsp
TC
Psp
PC Pm u
进料
Pv
P
燃料油
控制器的正反作用 选择
Tm
T
出料
h
3
课堂提问3
Tsp
+
TC
Psp +
• 分析：无论是料液流量或是设定值Tor的增 大，蒸汽流量都会自动增大，因为它与两者 的乘积成正比。
①代表流量F增大所引起的温度T0的响应。 ②代表增大蒸汽量ω所引温度T0的响应。 ③出现了一段时间较小的偏差。这是由于 扰动通道与调节通道之间对象动态特性不同 所引起的动态偏差，这种偏差是静态前馈补 偿所不能解决的，但最终仍然稳定在设定值 上。
u
PC
Gv
-
-
Pm
Gm2
Pv
D1
+ +
Gp2
+
P Gp1 +
T
Tm
Gm1
试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动；
试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的 非线性。
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4
课堂提问4
蒸汽
HV, RV
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
1、如果加热蒸汽
压力波动导致
TC
单回路控制效
果不理想，怎
么办？
2、如果工艺介质
前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作 变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。
h
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线性前馈控制方块图
T 0 ( s ) G f( s ) F ( s ) G d ( s ) G 0 ( s ) F ( s )
开环
TF0((ss))Gf (s)Gd(s)G0(s)
• 不变性：输出值在扰动F(s)作用下不产生任何变化。
要求已知而且准确
无需对象模型
对时变与非线性对象的适应性弱
对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强
h
16
1、静态前馈控制
例：换热器的静态方程：
FC p(TorTi)H
F (T oH r T i)C pC H pF (T or T i)
•特点：只能保证稳定后，完全补偿， 但存在动态误差
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17
1、静态前馈控制
h
9
采用串级控制？
串级控制需要：
单回路控制不能满足要求； 可测量的副变量
副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
h
10
换热器的前馈控制方案
FF
RF
cp, RF , T1
凝液
蒸汽
HV, RV
h
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1、静态前馈控制
（2）、若出口温度达不到设定值，只需调整K
就以校正，直到残差被消除。
k Cp H
①前馈作用太弱，蒸汽流量减少量不足以 抵消料流量的变化。“欠补偿”。
②前馈作用过强，蒸汽流量变化超过料液 流量变化所需要的蒸汽量。
③在Δω作用下，T0最终回到设定值，说明 前馈补偿合适。
h
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2、动态前馈控制
21
2、动态前馈控制
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22
前馈加反馈控制
前馈控制器
+
+
∑
u(t)
反馈控制器
ysp
过程 y(t)
D(t)
h
23
前馈加反馈控制
将前馈与反馈结合起来， 构成前馈-反馈控制系统。
① 对于可测不可控的干扰， 用前馈控制超前补偿；
② 其余干扰，由反馈控制克 服。
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24
前馈加反馈控制
T(S)GfHmdGdGvG0 Q(S) 1GcGvG0Hm
工艺 介质
T2
h
11
换热器的前馈控制方案
• 干扰：进料温度，流量 进料温度Ti↑（进流流量F↓）→出口温度T0↑ ΔT0f 设想：进料温度上升的同时，关小蒸汽量→T0↓→ΔT0c 若ΔT0f=ΔT0c，则T0不变
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前馈控制的思想
D1
Dn
前馈控制器
u
y 对象
D1，……，Dn为 可测扰动；u，y 分别为被控对象 的操作变量与受 控变量。
T2
流量波动导致
控制效果不理
想，怎么办？
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5
前馈控制系统
Feedforward Control
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6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内容
前馈控制的原理 线性前馈控制的设计 非线性前馈控制 前馈反馈控制系统
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7
换热器的反馈控制
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
T2
凝液
假设主要干扰为RF，T1
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单回路控制的仿真
Y F((S s))Gf(S)Gd(S)G0(S)
由不变性原理： Gd(S) Gf (S)
G0(S)
设控制通道的特性为： 干扰通道的特性：
GG0(f S(S))TT0KSfKS0f11ee0Sf S
∴前馈补偿装置的传递函数为：
KdKf, K0
f 0
G d (S ) G G 0 f( ( S S ) ) K K 0 fT T 0 fS S 1 1 e ( fh 0 )S K dT T 0 fS S 1 1 e S