第五章(三) 前馈反馈控制技术(全)

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前馈控制的应用—前馈反馈控制 [例]炼油装置加热炉的前馈－反馈控制系统。图中，θ为被 控量，物料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前馈 控制。当qF变化时，通过FT，FFC的信号变化，从而调节阀 门的开度，改变θ。
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前馈控制的应用—前馈反馈控制
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分析(3)：在反馈控制系统中，稳态精度与稳定性存在矛盾。 而前馈－反馈控制能在一定的程度上解决这一矛盾，提高控 制品质。
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前馈反馈控制—前馈控制器设计
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前馈控制的应用—前馈串级控制
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前馈控制的应用—前馈串级控制
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前馈反馈控制—前馈控制器设计
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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 )
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反馈控制和前馈控制的特点—前馈控制的特点
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反馈控制和前馈控制的特点—前馈控制的特点 前馈控制器“基于扰动来抑制扰动对被控量的影响”，又 称前馈控制为“扰动补偿”。 扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由 于扰动引起的动、静态偏差比较有效。 前馈控制属于开环控制。因此只要系统中各环节是稳定的， 则控制系统必然稳定。 一条前馈回路只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正作 用，而对系统中的其它扰动无校正作用。 前馈控制器的控制律有时较复杂，需进行简化。
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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。
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前馈控制方案的选用原则
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前馈-串级馈控制系统例子--三冲量给水控制系统
根据控制方案，可画出控制系统方框图。图中，Gg(s) 、 Go(s)、 Gd(s)分别为蒸汽流量水位通道，给水流量水位通道 和给水流量反馈通道传递函数。Gc(s)、Gp2(s)、Gp1(s)分别 为前馈控制器、副控制器(给水控制器)和主控制器(水位控制 器)；Kg、Kd、Kh分别为蒸汽流量、给水流量和锅炉水位测量 装置。
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前馈控制方案的选用原则 实现前馈控制的必要条件是扰动量不可控但可测。 可测： 指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈 补偿器可接受的信号。不可测的信号不能实现前馈。 不可控： 指扰动量难以通过专门的控制回路予以控制。
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数字前馈-反馈控制系统
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数字前馈-反馈控制系统
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数字前馈-反馈控制系统—控制算法步骤
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数字前馈-反馈控制系统—控制算法步骤
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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
前馈串级控制—前馈控制器设计
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前馈串级控制—前馈控制器设计
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前馈-串级馈控制系统例子--三冲量给水控制系统 [例子]在锅炉水位控制系统中， 锅炉汽包水位控制系统的控制 目标是：保持给水流量D和蒸 汽流量G平衡，以控制水位H 为设定值H0。 [分析]锅炉给水流量D和蒸汽流量G(系统负载)的变化是引起 汽包水位H变化的主要扰动。为了控制锅炉水位H，可采用 前馈-串级控制方案。以前馈控制蒸汽流量G，以串级控制的 内回路控制给水流量D，外控制回路控制被控量H。--称为三 冲量（D,G,H）给水控制系统。
性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一的前 馈模型难以适应。（2）有些前馈控制器Dn(s)较为复杂。 （3）一个扰动需要一个测量变送装置，干扰多时，造成控 制系统庞大。
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前馈控制的应用—前馈反馈控制 为了解决上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对 扰动的补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用的特点，可 组成前馈－反馈控制系统。
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不变性原理与前馈控制器设计--不变性原理
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不变性原理与前馈控制器设计--不变性原理
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不变性原理与前馈控制器设计--不变性原理
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根据不变性原理设计前馈控制器 前馈控制器的设计依据是不变性原理。前馈控制系统 由两部分组成。当扰动发生后，通过扰动通道引起被控量 的变化。同时，前馈控制通道根据扰动的性质及大小对过 程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化， 以抵消扰动对被控对象的影响。
第五章(二) 前馈反馈控制技术
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主要内容： 反馈控制和前馈控制的特点 不变性原理与前馈控制器设计 前馈反馈和前馈串级控制方案 数字前馈控制器算法的设计
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前言 前面各部分讨论的控制系统，都是带有反馈的闭环系 统。当被控系统受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差， 控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。 若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生 后再进行控制，这样就能更有效地消除扰动对被控参数的 影响。
分析 (1)：在单纯的 前馈控制时，有：
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
(a)
Y (s) = Gn ( s ) + Dn ( s )G ( s ) N (s)
与上式相比，前馈－反馈控制时干扰对被控量的影响比单纯 前馈控制小 倍。 1
1 + D( s )G ( s )
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反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
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反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
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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。
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根据不变性原理设计前馈控制器
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根据不变性原理设计前馈控制器
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前馈控制的应用—前馈反馈控制 前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制； 完全补偿难以实现。（1）难以准确地掌握过程扰动通道 和控制通道Gn(s) 和G(s)的特性。有些过程对象常含有非线
前馈反馈控制—前馈控制器设计 分析 (2)：在前馈－ 反馈控制系统中，根 据绝对不变性原理得：
R(s) E(s) D(s) Dn(s) Un(s) U1(s) U(s) G(s) N(s)
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
Y ( s ) Gn ( s ) + Dn ( s )G ( s ) = ≡0 (a) N (s) 1 + D( s )G ( s ) Gn ( s ) 这与单纯前馈控制系统时相同 ⇒ Dn ( s ) = − G (s)
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前馈-串级馈控制系统例子--三冲量给水控制系统
【控制过程】当系统的负载变化引起蒸汽流量G的变化时，通过前馈通道 和串级内回路的补偿控制，迅速改变给水流量，以适应蒸汽流量的变化， 减小对水位的影响。给水流量D2表示由于各种原因引起的给水流量的扰动， 该扰动主要由串级副回路进行补偿。当各种原因（包括前馈控制未能对蒸 汽流量进行完全补偿的情况）引起水位偏离设定值时，串级控制的主回路 以闭环反馈控制进行总补偿，使锅炉水位维持在设定值。