第 5章 前馈控制系统

Gff
Mff
Σ FS FC
Sp.
TC
F
θ
2
θ
1
F
Gff(S)
θ
1i
GPD(S)
θ
d
-
GC1(S)
+
- GC2(S)
GP2(S)
GPC(S)
+θ
1
前馈串级控制方框图
F
Gff(S)
θ
1i
GPD(S)
GP2(S) GPC(S)
θ
d
-
GC1(S)
+
GC2(S)
+θ
1
同样，可根据不变性条件推导G的传递函数。
特别说明: 串级控制系统与前馈-反馈控制系统在 结构上的区别：(图5-14、图5-15)
T 2C T 1C
燃料
串级控制系统
原油
Gff
Σ
T 1C
燃料 原油
前馈-反馈控制系统
设计错误的串级控制系统
FC T 1C
燃料 原油
F
FT TC FC
GPD(S) GPC(S)
+
上图所示系统的方框图
• 根据不变性原理设计的前馈控制已广泛应用于石 油、化工、电力、原子能等各工业生产部门。但 实际工业生产过程中，大多数采用前馈—反馈复 合控制系统，下面详细说明复合控制系统在锅炉 给水控制中的应用。 • 锅炉是现代工业生产中的重要动力设备。在锅炉 的正常运行中，汽包水位是其主要工艺指标。当 汽包水位过高时，会造成蒸汽带液，其结果不仅 降低了蒸汽的产量和质量，而且会损坏汽轮机叶 片；当水位过低时，轻则影响汽水平衡，重则会 烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。所以必须严格 控制水位规定的工艺范围内。
F
θ
1
F
θ
2
θ
1
(a)反馈控制
(b)前馈控制
FS Gff Mff
F
GPD(S)
Gff(S) GPC(S)
θ
d
+θ + θ
c
1
F
θ
2
θ
1
前馈控制方框图
F
前馈控制 θ
1
ΔF
t
θ
前馈控制系统
c
t
的补偿过程
θ
D
F
F
GPD(S) Gff(S) GPC(S)
θ
d
ΔF +θ +
1
t θ
θ
1 C
θ
c
前馈控制方框图 θ
可见，无论哪种形式的前馈控制系统，其前 馈控制器的传递函数均可表示为对象的干扰通道 与控制通道的特性之比，并前面加以“负”号。
5.3 前馈控制规律的实施
前馈控制器的控制规律均可表示为对象的 干扰通道与控制通道的特性。由于工业对象的 特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形 式繁多。实践证明，相当数量的工业对象都具 有非周期性与过阻尼的特性，因此可用一个一 阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后 环节来近似它。例如：
• 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。
1(S ) F (S ) G PD ( S ) G
ff
( S ) G P 2 ( S ) G PC ( S )
'
'
1 G C ( S ) G P 2 ( S ) G PC ( S )
式中，G’P2为副回路等效对象的传递函数：
G
' P2
(S )
G C 2 ( S )G P 2 ( S ) 1 G C 2 ( S )G P 2 ( S )
• 本系统不但能通过串级副回路及时克服给 水流量的干扰，而且还能实现对蒸汽负荷 的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等 于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不 变。
5.5 前馈控制系统的参数整定
5.5.1 Kf的整定 5.5.2 T1、T2的整定
5.5.1 Kf的整定
重要性：如果正确的选择Kf，也就能正确地决定阀 位。如果Kf过大，则相当对反馈控制路施加了干扰， 将会输出错误的静态前馈输出。 Kf的整定方法： （1）开环整定方法： 开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单 纯静态前馈状态下，施加干扰， Kf 由小逐步增大， 直到被控变量回到给定值，此时Kf 为最佳值。
F
ΔF
t θ
F
GPD(S) Gff(S) GPC(S)
θ
d
θ
+θ +
1
1 C
θ
t
c
前馈控制方框图
θ
D
前馈控制器得传递函数：
G
ff
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
（2）静态前馈控制
定义：前馈控制器的输出Mff仅仅是输入量的函数， 而与时间因子t无关，称为静态前馈控制。 适用范围：一般对于补偿要求不高或干扰通道与 控制通道的动态响应相近，均可采用静态前馈控制。 对于一些较简单的对象，有条件列写有关参数的 静态方程时，则可按照方程求得静态前馈控制方案。 例如：如图所示，换热器温度控制系统中，主物 料流量F与进料量温度θ 为主要干扰，忽略热损失。 则热量平衡式为：
一个固定的前馈 模型难以获得良好的 控制品质。为了解决 上述局限性，将前馈 与反馈相结合，构成 前馈—反馈控制系统 （FFC-FBC）
TC Gff θ F Σ
2
Mff
FS
θ
1
当F变化时，前馈控制器改变加热蒸气Fs以补 偿F对被控变量θ 1的影响，同时反馈对其它干扰 如物料入口温度等按PID规律进行校正，这样两个 校正作用相叠加，使θ 1尽快回到给定值。
(5-2)
把上式代人(5-1)，可得前馈控制器得传递函数：
G
ff
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
(5-3)
从(5-3)可以看出，前馈控制器的控制规律为 对象的干扰通道与控制通道的特性之比，式中的 “负”号表示控制作用与干扰作用的方向相反。
前馈控制特点：
1、前馈控制按干扰作用的大小进行控制， 比反馈控制要及时。 2、前馈控制属于开环控制。 3、前馈控制器是视对象特性而定的“专用” 控制器。 4、一种前馈控制只能控制一种干扰。
ff
( S ) G PC ( S )
1 G C ( S ) G PC ( S )
应用不变性条件：
F ( S ) 0, 0
可推导出前馈控制器的传递函数：
G PD ( S ) G G
ff ff
( S ) G PC ( S ) 0
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
第五章 前馈控制系统
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 前馈控制系统的特点 前馈控制系统的几种主要结构形式 前馈控制规律的实施 前馈控制系统的应用 前馈控制系统的参数整定
5.1 前馈控制系统的特点
产生前馈控制的背景：
有些生产过程中采用常规反馈控制系统无法满足 工艺的要求。
FS TC
Gff Mff FS
5.2.3 前馈-串级控制系统
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转化为物料流量 与控制阀膜头压力间的关系。这样为了保证前 馈补偿的精度，对控制阀提出了严格要求，希 望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。 （2）必须要求控制阀前后压差恒定，否则无 法实现精确的校正。 为解决上述问题将前馈与串级相结合构成 前馈-串级控制系统。
可见FFC-FBC系统实现完全补偿的条件与 开环FFC相同。
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； （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。
串级控制系统中副回路是一个很好的随动系统， 可把副回路近似处理为：
G P2 (S ) 1
'
应用不变性条件：
F ( S ) 0, 0
可推导出前馈控制器的传递函数：
G
ff
(S ) G
G PD ( S )
' P2

G PD ( S ) G PC ( S )
( S ) G PC ( S )
前馈—反馈控制系统作用： 前馈控制克服反馈控制不易克服的主要干扰，而 对其它干扰则进行反馈控制。 Sp.
TC
Gff θ F Σ
2
Mff θ
1
F
Gff(S)
θ
1i
GPD(S) GPC(S)
θ
d
-
GC(S)
+
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ+θ
1
前馈反馈控制方框图
干扰F对被控变量Θ 1的闭环传递函数为：
1(S ) F (S ) G PD ( S ) 1 G C ( S ) G PC ( S ) G
5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式
5.2.1 单纯的前馈控制系统 5.2.2 前馈-反馈控制系统 5.2.3 前馈-串级控制系统
5.2.1 单纯的前馈控制系统
(1)动态前馈控制 如下图所示换热器前馈控制系统即为单纯 的动态前馈控制。 作用：通过合适的前馈 控制规律的选择，使干 FS 扰经过前馈控制器至被 Mff Gff 控变量这一通道的动态 特性与对象干扰通道的 动态特性完全一致，并 θ 1 θ 2 F 且符号相反，以达到补 偿效果，此时
时，为了简化前馈补偿 装置，可简化为：
G
ff
s
K
T1 s 1
f
T1<T2（滞后）
T2 s 1
此种“超前—滞后”前馈补偿模型已经成为广 泛应用的一种动态前馈补偿模式。这种通用型前馈 控制模型在单位阶跃作用下的输出特性：
m K 1 1 e
f f t T1
F c p ( 1 2 ) F S h S
FS
Gff Mff
F
θ
2
θ
1
F c p ( 1 2 ) F S h S
Cp—物料的比热容 hs—蒸气的汽化潜热
FS F cp hS ( 1 i
2
)
由上式可求得，静态前馈控制方程式为：
FS F cp hS ( 1 i
• 锅炉汽包水位控制的任务是使给水量适应 锅炉的蒸发量，并保持其在规定的工艺范 围内。因此，汽包水位是被控参数，而引 起汽包水位变化的主要干扰是锅炉的蒸汽 流量和给水流量。蒸汽流量是负荷，随用 户需要而变化，为不可控因素，给水流量 则可以作为控制参数，以此构成锅炉给水 控制系统。但由于锅炉汽包中存在“虚假 水位”，故简单控制系统不能满足工艺要 求。
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。
D
t
前馈控制理论基础是“不变性原理”或“干扰补 偿理论”。
(S ) F (S ) G PD ( S ) G ff ( S ) G PC ( S )
(5-1)
GPD(s)、GPC(s)分别为对象干扰通道与控制通 道的传递函数。
系统对干扰F实现完全补偿的条件：
F ( S ) 0, ( S ) 0
2
)
FS
θ
1i
Σ θ
2
× F
×
Mff
FC
Cp/hS
θ
1
静态前馈控制流程原理图
5.2.2 前馈-反馈控制系统
单纯前馈控制的存在问题： (1)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）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）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GPD（s）和GPC（s）的变化。
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
G PD s
K
T2 s 1
e
f
式中：Kf=K2/K1—静态前馈放大系数
τf=τ 2－ τ1
当τ2和τ1差别不大 T1>T2（超前）