工业过程控制工程前馈及比值控制.ppt
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第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
②前馈控制系统是一个开环控制系统，这一 点从某种意义上来讲是前馈控制的不足之 处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制 结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制 的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈 控制对被控对象的特性了解必须比反馈控 制清楚的多，才能得到一个比较合适的前 馈控制作用。
15
主要的扰动实现不变性就成为选择不变性
第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
P85
①前馈控制是按照扰动作用大小进行控制的， 如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制 要及时；
②前馈控制属于开环控制系统。反馈控制系 统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一 个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产 生控制作用后，对被控变量的影响并不返 回来影响控制器的输入信号（扰动量）。
第七章 前馈及比值控制
第七章 前馈及比值控制
本章的主要内容: 7.1 前馈控制系统的原理与特点 7.2 前馈控制系统的几种结构形式 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计） 7.4 比值控制系统
1
第七章 前馈及比值控制
7.1 前馈控制系统的原理与特点
本节的主要内容:
7.1.1 前馈控制和不变性原理
P83
7.1.1 前馈控制和不变性原理
10
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
系统对扰动Ｆ的全补偿条件： P84
当Ｆ（s） 0时，要求Ｙ（s）= 0
G ff
(s)
G PD (s) G pc (s)
（7.1-3）
满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受f(t) 变化影响
11
第七章 前馈及比值控制
不变性的类型
P84
绝对不变性：指系统在扰动量f（t）的作用下
被控变量y（t）在整个过渡过程中始终不变
误差不变性：指准确度有一定限制的不变性，
或者说与绝对不变性存在一定误差为的不变性
稳态不变性：指系统在稳态工况下被控变量与扰动量无关
选择不变性：被控变量往往受到若干个扰动的作用。 若系统采用了被控变量对其中几个
7.1.1 前馈控制和不变性原理
全补偿过程:
P84 图7.1-3
当F阶跃变化时，yc ( t)和yd(t)的变化曲线 方向相反，幅值相同。
合成结果：
y ( t) = yc ( t) + yd(t) = ct 连续维持在恒定的设定值上
12
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
13
第七章 前馈及比值控制
平衡条件，计算出适应扰 控制器
动的调节量进行调节，使 被控变量维持在设定值上。 ц
y 对象
这种按扰动进行的开环控 制方式称为前馈控制。
前馈控制系统的方块图
3
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
例：换热器出口温度控制
Gff：前馈控制器 TC：温度控制器
：变送器
P83图7.1-1
工作过程：
1）前馈控制的概念
2）前馈控制的基本原理
3）不变性原理（前馈控制的理论基础）
7.1.2 前馈控制系统的特点
P85
1）前馈控制的特点
2） 前馈控制与反馈控制的比较
2
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
前馈控制的概念 P83
把影响过程控制的主 要扰动预先测量出来，再
Ｆ１Ｆ２Ｆ３
根据对象的物质（或能量） 前馈
7
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
另外一种控制方案： 根据被加热物料流量Q的变化信号，通过一
个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量 变化反映到出口温度T变化以后再去操作，而是 根据流量的变化，立即对调节阀进行操作，甚 至可以在T还没有变化前就及时对流量Q的扰动 进行补偿.
以上的控制称为前馈控制，这个扰动补偿器 称为前馈控制器
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第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制与反馈控制的比较：P85表7.1-1
控制的 检测的信 控制作用的
依据
号
发生时间
反馈控 被控变量 被控变量 偏差出现后 制 的偏差
前馈控 扰动量的 扰动量 偏差出现前
制
大小
19
第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制与反馈控制的比较：
① 反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进
行控制的，如果干扰已经发生，而被控参 数都还没有变化，则控制器不会产生校正 作用。故反馈控制落后于干扰作用，对干 扰的控制不及时。
偏差
5
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
6
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
用一般的控制方案： 控制器根据温度T 的偏差进行控制，当
Q发生扰动时，要等T变化后，控制器才开始 动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又要 经过热交换的惯性，才会使T变化。这样， 可能使T产生较大的动态误差。
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第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
③前馈控制使用的是视对象而定的专用控制 器。一般的反馈控制系统均采用通用的 PID控制器，而前馈控制器是专用控制器， 对于不同的对象特性，前馈控制器的形式 将是不同的；
④前馈控制只能克服可测的扰动量的影响， 如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。
加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热 量传给排管内被加热的物料。
4
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
例：换热器出口温度控制
P83图7.1-1
出口温度 T 的控制：
由蒸汽管路上的控制阀来进行
引起 T 变化的因素：
因素很多，最主要的扰动是加热物料的流量Q
当流量Q发生扰动时，出口温度 T 就会产生
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
前馈控制系统方块图：P8 P D (s)
Gff
(s) Gpc (s)
（7.1-1）
Gff（s）: 前馈控制器传函（前馈补偿器） GPD（s）: 对象干扰通道传函 GPC（s）: 对象控制通道传函
9
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
不变性原理的理论基础
P84
“不变性”的概念：
控制系统的被控变量与扰动量完全无关。
然而，进入控制系统中的扰动必须通过
被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离 给定值的变化。
不变性原理是通过前馈控制器的校正作 用，消除扰动对被控变量的这种影响。
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
②前馈控制系统是一个开环控制系统，这一 点从某种意义上来讲是前馈控制的不足之 处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制 结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制 的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈 控制对被控对象的特性了解必须比反馈控 制清楚的多，才能得到一个比较合适的前 馈控制作用。
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主要的扰动实现不变性就成为选择不变性
第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
P85
①前馈控制是按照扰动作用大小进行控制的， 如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制 要及时；
②前馈控制属于开环控制系统。反馈控制系 统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一 个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产 生控制作用后，对被控变量的影响并不返 回来影响控制器的输入信号（扰动量）。
第七章 前馈及比值控制
第七章 前馈及比值控制
本章的主要内容: 7.1 前馈控制系统的原理与特点 7.2 前馈控制系统的几种结构形式 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计） 7.4 比值控制系统
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第七章 前馈及比值控制
7.1 前馈控制系统的原理与特点
本节的主要内容:
7.1.1 前馈控制和不变性原理
P83
7.1.1 前馈控制和不变性原理
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
系统对扰动Ｆ的全补偿条件： P84
当Ｆ（s） 0时，要求Ｙ（s）= 0
G ff
(s)
G PD (s) G pc (s)
（7.1-3）
满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受f(t) 变化影响
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第七章 前馈及比值控制
不变性的类型
P84
绝对不变性：指系统在扰动量f（t）的作用下
被控变量y（t）在整个过渡过程中始终不变
误差不变性：指准确度有一定限制的不变性，
或者说与绝对不变性存在一定误差为的不变性
稳态不变性：指系统在稳态工况下被控变量与扰动量无关
选择不变性：被控变量往往受到若干个扰动的作用。 若系统采用了被控变量对其中几个
7.1.1 前馈控制和不变性原理
全补偿过程:
P84 图7.1-3
当F阶跃变化时，yc ( t)和yd(t)的变化曲线 方向相反，幅值相同。
合成结果：
y ( t) = yc ( t) + yd(t) = ct 连续维持在恒定的设定值上
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
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第七章 前馈及比值控制
平衡条件，计算出适应扰 控制器
动的调节量进行调节，使 被控变量维持在设定值上。 ц
y 对象
这种按扰动进行的开环控 制方式称为前馈控制。
前馈控制系统的方块图
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
例：换热器出口温度控制
Gff：前馈控制器 TC：温度控制器
：变送器
P83图7.1-1
工作过程：
1）前馈控制的概念
2）前馈控制的基本原理
3）不变性原理（前馈控制的理论基础）
7.1.2 前馈控制系统的特点
P85
1）前馈控制的特点
2） 前馈控制与反馈控制的比较
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
前馈控制的概念 P83
把影响过程控制的主 要扰动预先测量出来，再
Ｆ１Ｆ２Ｆ３
根据对象的物质（或能量） 前馈
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
另外一种控制方案： 根据被加热物料流量Q的变化信号，通过一
个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量 变化反映到出口温度T变化以后再去操作，而是 根据流量的变化，立即对调节阀进行操作，甚 至可以在T还没有变化前就及时对流量Q的扰动 进行补偿.
以上的控制称为前馈控制，这个扰动补偿器 称为前馈控制器
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第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制与反馈控制的比较：P85表7.1-1
控制的 检测的信 控制作用的
依据
号
发生时间
反馈控 被控变量 被控变量 偏差出现后 制 的偏差
前馈控 扰动量的 扰动量 偏差出现前
制
大小
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第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制与反馈控制的比较：
① 反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进
行控制的，如果干扰已经发生，而被控参 数都还没有变化，则控制器不会产生校正 作用。故反馈控制落后于干扰作用，对干 扰的控制不及时。
偏差
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
6
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
用一般的控制方案： 控制器根据温度T 的偏差进行控制，当
Q发生扰动时，要等T变化后，控制器才开始 动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又要 经过热交换的惯性，才会使T变化。这样， 可能使T产生较大的动态误差。
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第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
③前馈控制使用的是视对象而定的专用控制 器。一般的反馈控制系统均采用通用的 PID控制器，而前馈控制器是专用控制器， 对于不同的对象特性，前馈控制器的形式 将是不同的；
④前馈控制只能克服可测的扰动量的影响， 如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。
加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热 量传给排管内被加热的物料。
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
例：换热器出口温度控制
P83图7.1-1
出口温度 T 的控制：
由蒸汽管路上的控制阀来进行
引起 T 变化的因素：
因素很多，最主要的扰动是加热物料的流量Q
当流量Q发生扰动时，出口温度 T 就会产生
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
前馈控制系统方块图：P8 P D (s)
Gff
(s) Gpc (s)
（7.1-1）
Gff（s）: 前馈控制器传函（前馈补偿器） GPD（s）: 对象干扰通道传函 GPC（s）: 对象控制通道传函
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
不变性原理的理论基础
P84
“不变性”的概念：
控制系统的被控变量与扰动量完全无关。
然而，进入控制系统中的扰动必须通过
被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离 给定值的变化。
不变性原理是通过前馈控制器的校正作 用，消除扰动对被控变量的这种影响。
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第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理