过程控制_第7章_前馈控制系统-xu

第7章

前馈控制系统设计
单回路控制系统设计 串级控制系统设计

都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的 输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时， 输出必然有波动。
有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响 输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？
此控制具有以下特征：

在扰动影响输出前进行调节。 直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完 全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。 前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制
W ff ( S ) Kf Ko e
( f o ) s
f
若 f o ,动态前馈为纯迟延,可实现；
若 f o ,动态前馈为纯提前,不可实现。
由此可得：在选择控制通道时应选
择纯迟延短的通道。
控 制
o
（2）τ f = τo ，则
若To= Tf ,
W ff ( S )
N
超前
滞后
3
复合控制系统
1、单纯的前馈控制系统 2、前馈-反馈复合控制系统 3、前馈-串级复合控制系统
1、 单纯的前馈控制系统
(1)动态前馈控制
（基于“绝对不变性原理”） F Wff Mff
考虑过程对象通道特性
W ff ( S ) W f (S ) Wo ( S )
N
Y
如图所示换热器前馈控制系 统即为单纯的动态前馈控制。
Wff(S)
Y2(s)
Wo(S)
N
对 象
Y1(s)
Y(s) V(S) Wo(S)
N(s)

Wf(S)
Y1(s) + Y(s) +
Y2(s)
根据框图，有：
Wff(S)
Wo(S)
Y ( S ) W f ( S ) N ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) N ( S ) Y (S ) N (S )
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
二、前馈控制器的设计
1）输出Y(s)与扰动N(s)之间关系：
W f ( S )：扰动通道传函 W ff ( S )：前馈控制器传函（包含测量环节） Wo ( S )：控制通道传函(包含执行器)
F Wff
V(源自文库)
N(s)
Wf(S)
Y1(s) + Y(s) +
Y2(s)

反馈控制总要滞后扰动，是一种不及时的控制。


反馈控制是闭环控制，存在稳定性问题。
对闭环回路中扰动都有调节作用。 调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。
干扰 偏差
设定
反馈控制器
执行器
对象 测量变送
被控变量

2、前馈控制
Feedforward control 简称FFC 当扰动一旦出现，调节器就根据扰动的大小和 性质进行控制，补偿扰动对系统的影响，使被 控参数不变。
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
对象
④只对被测量的可测而不可控的扰动有校正作用， 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
前馈控制系统补偿过程
即:当N (t ) 0时， Y (t ) 0
前馈控制方框图
2．稳态不变性

被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统在稳态偏差 与扰动无关。即静态偏差为0，动态不为0。
y1(t)
静态偏差 为0 系统输出y(t)
动态偏差 不为0
y2(t)
3．ε不变性

被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统偏差小于一 个小量，用ε表示。
扰动N
扰动输出
t->∞ 系统输出
调节输出
静态前馈控制器是一个比例环节。
2、动态前馈控制器
动态前馈 Wff(s)满足绝对 不变性：
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
Wo(s) 扰动N
N Wff(s)
Wf(s)
静态前馈控制
扰动输出
动态过程产生 的偏差
系统输出
动态前馈要 补偿的面积
FS N W ff cp hS ( X Y2 ), X 设定温度
cp hS
FS
X
Y2
Σ -
× N
×
Mff
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。
前馈调节器

执行器
Y1
-Y1
被控变量
对象
通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好 补偿干扰对对象的影响。
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影 响”。前馈调节器又称为“扰动补偿器”。 ②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动 引起的动、静态偏差比较快速有效。 ③前馈控制属开环控制，只要系统中各环节稳定，控 制系统必定稳定。

例 如： 如图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量波 动N为主要干扰，忽略热损失。则热量平衡式为：
FS Wff
N c p (Y Y2 ) FS hS 0
Mff
N
Y2
Y
Cp—物料的比热容 hs—蒸汽的汽化潜热
cp hS
FS N
(Y Y2 )
由上式可求得，静态前馈控制方程式为：
反馈控制的优点：
任何扰动对系统的影响均可消除； 系统准确性高。
反馈控制的缺点：
有偏差才控制; 不能事先规定调节器的输出。
将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短
前馈与反馈相结合，构成 前馈—反馈控制系统 （FFC-FBC）
Gff Y2 Σ
TC
Sp
Mff
对 象
FS
Y
当N变化时，前馈控制器改变加热蒸气Fs以补 偿N对被控变量Y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Y尽 快回到给定值。
（2）静态前馈控制
（基于稳态不变性原理） 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，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。


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。

当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制
不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控
制系统 。
2
前馈控制器的设计
不变性原理是前馈控制的理论基础。 一、不变性原理 不变性原理指控制系统的被控量与扰动量完全无 关，或在一定准确度下无关。
例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动—突然增加 这种直接根据造成偏差 原因--扰动进行的控制 称为前馈控制

前馈控制：
当冷流体流量增加 N 时，其对 输出温度影响假如为Y1，当 其一产生，即改变蒸汽流量 Fs ， 使得蒸汽 Fs 对输出温度影响为 -Y1，那么输出温度就不会变化。
干扰 测量变送器
干扰通道
前馈补偿
动态前馈控制器：W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯 性环节。
W f (S ) Wo ( S ) Kf 1 Tf s Ko 1 To s e
f s
e
o s
则 : W ff ( S )

本 章 内 容





1 2 3 4 5 6
前馈控制的基本概念 前馈控制器的设计 前馈-反馈，前馈-串级复合控制系统 前馈控制系统的应用原则 前馈控制系统的参数整定 前馈控制系统典型应用
1

前馈控制的基本概念
前馈控制是相对于反馈控制而言的。
1、反馈控制： Feedback control 简称FBC
N N
Gf(S) Gff(S) Go(S)
Y1
+Y + Y2 ΔN
t Y1 t Y2
Y
前馈控制方框图
W ff ( S ) W f (S ) Wo ( S )
补偿原理： 通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过 前馈控制器至被控变量控制通道的动态特性与对象 干扰通道的动态特性完全一致，并且符号相反，以 达到补偿效果。


2）前馈控制器的设计 前馈控制器有两种形式：静态、动态 1、静态前馈控制器
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
满足稳态不变性，取t->∞(即s->0)的值。即只 取其通道增益。有：
W ff ( S ) K f / K o K ff 其中 : K f 是W f ( S )的增益 K o是Wo ( S )的增益
W ff ( S )：前馈控制器传函(包含测量环节） W f ( S )：扰动通道传函 Wo ( S )：控制通道传函(包含执行器)

满足输出绝对不变性的前馈控制器是由系统对象的扰动通道 特性和控制通道特性决定。 当对象通道特性比较复杂时,前馈控制器复杂,难以实现。所 以满足绝对不变性的前馈控制器实现条件比较复杂。 满足稳态不变性前馈控制器实现结构简单,且稳态误差为0。
Y2(s)
N(s)
Y1(s) Wf(S) +
Y(s)
N
Y1(s)
Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
前馈控制
前馈控制方框图
F
N
Wff
Y2(s)
ΔN
t
y1(t)
N
Y1(s)
Y(s)
y t
前馈控制
N(s)
y2(t)
Wf(S) Wff(S) Wo(S)
Y1(s) + Y(s) +
Y2(s)
y1(t)+ y2(t)=0
即:当N (t ) 0时， Y (t ) 0
N(t)
被控过程 及仪表
Y(t)
按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度， 分为几种不变性类型：
1．绝对不变性
2．稳态不变性
3．ε不变性
1．绝对不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，过渡过程中始终不 变。即静态和动态偏差都为0。
F Wff
Kf
Ko 1 Tf s

1 To s
N Wff(s) Wf(s)
Wo(s)
扰 动
W ff ( S )
Kf Ko
为比例环节
若To>Tf , W ff (S ) 为超前补偿特性 若To<Tf , W ff (S ) 为滞后补偿特性 一般对象的纯迟延并不明显，因此动 态前馈常采用:
W ff ( S ) K ff 1 T1s 1 T2 s
前馈、反馈控制分别在系统中作用：
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。
TC Wff N Σ Mff
对 象 N
Sp
FS Y
Wff(S) Sp TC(S)
Kf
Ko 1 Tf s

1 To s
e
( f o ) s
N
动态前馈控制器:
W ff ( S ) Kf Ko 1 Tf s 1 To s e
( f o ) s
Wff(s)
Wf(s)
Wo(s) 扰 动 N
控 制
o
讨 论： （1）To= Tf，则
对象
前馈控制与反馈控制比较
偏差
反馈控制器 设定 执行器
干扰
对象
测量变送
被控变量
干扰 测量变送器
干扰通道
前馈控制器
执行器 对象
被控变量 Y1 -Y1
特点比较：

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

W f ( S ) W ff ( S )Wo ( S )
则根据绝对不变性原理：
N ( S ) 0, Y ( S ) 0 即 : W f ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) 0

满足输出绝对不变性前馈控制器：
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )

反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差，控 制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响
——基于偏差的控制
干扰 偏差 反馈控制器 设定 执行器 对象 被控变量
测量变送
反馈控制特点：

当干扰已经发生，但是被控参数尚未变化， 偏差 =0，则控制器不产生调节作用。 例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动