§5前馈及复合控制系统

§5前馈及复合控制系统

基本要求：前馈控制系统的结构、特点和应用场合

1．掌握反馈控制和前馈控制的特点比较

2．掌握前馈控制系统的结构形式

3．掌握前馈控制系统的选用原则

4．了解前馈控制系统控制参数的工程整定

5．了解前馈控制系统的工业应用

§5.1前馈控制的基本概念

一．反馈控制与前馈控制的特点（比较）

以换热器温度控制系统为例

反馈：

（1）基于偏差来消除偏差

（2）不及时，调节器的动作落后于扰动的发生，（检测被调参数） 要等到被控变量发生变化，产生偏差才有控制动作/*才有控制量输出

（3）（稳定性）闭环，（调节效果可通过反馈检验）

（4）可消除多种扰动

（5）调节规律，P，PI，PID等，“通用”

前馈：

（1）基于扰动来消除扰动对被控量的影响

（2）及时，（检测干扰量）

（3）开环

（4）指定性补偿，一种前馈作用只能克服一种干扰

（5）取决于被控对象，专用，取决于干扰通道和调节通道的特性，对象不同，前馈调节器的形式不同，

二．前馈控制器设计

1．不变性原理：即当扰动f（t）≠0时，输出y（t）=0

（1）绝对不变性

过渡过程动态、静态偏差均为零

（2）ε不变性

|y(t)|< ε （f （t ）≠0） （3）稳态不变性

动态偏差不为零，静态偏差为零

)t (y lim ,0)(t =

≠∞

→t f 当

2．前馈控制器传递函数 前馈控制系统框图：

可见：前馈控制器由扰动通道和控制通道的特性决定。

实现不变性的结构

§5.2前馈控制系统的几种结构形式 介绍几种典型的

一．单纯前馈控制系统

可以前面加热器为例，流程图和方框图

1．静态前馈控制系统

依据稳态不变性，只要求稳态时实现对扰动的补偿

K K

K W f

m m -

=-= 比例环节

2．动态前馈控制系统

静态前馈的缺点：存在动态偏差

依据绝对不变性原理，提高动态品质

)

()()(0s W s W s W f m -

= 结构复杂 （4-30）根据不变性原理推出的前馈控制器模型

二．前馈-反馈复合控制系统 1．前馈控制的局限性（缺点） 开环：偏差得不到检测

难以实现完全补偿：（1）扰动通道f W 和控制通道0W 的特性难以完全掌握，且非线性也导致参数变化，而原有的前馈模型不能适应。（2）前馈模型)(s W m 有时在工程上难以实现。（3）多个扰动，而前馈，1对1。 2．前馈-反馈复合控制系统 前馈、反馈结合

以加热炉前馈-反馈控制系统为例，认识其流程图和方框图 （1）工艺，

（2）如果采用一般的单回路设计，被控量： 控制量： ；流程图

（3）背景：设进料量经常发生变化，

对比：前面讲过的燃料量发生波动，可采用串级，Now ，原料，如果参照前面的串级控制方案，需要原料流量作为控制参数，但原料是生产负荷，一般不做为控制参数，So ，串级不可行，可采用前馈，HOW?前馈+反馈 （4）画控制流程图 被控量：出口温度θ 控制量：燃料流量B q

设进料流量F q 的波动为主要扰动，针对此扰动进行前馈控制 根据4-13流程图画出方框图：/*这属于第一种*/

这是前馈信号接在反馈控制器之后 （5）方框图

典型的前馈-反馈控制系统方框图，两种，P192

（6）前馈控制器设计

第一种：前馈控制器的设计同单纯前馈控制

虽然加入了反馈，但？见4-32，4-33的推导与单回路比4-34？

第二种：前馈控制器的设计与0W 、f W 和C W 有关 4-35，4-36推导 )

s (W )s (W )s (W )s (W c 0f m -

=

三．前馈-串级复合控制系统 仍以加热炉温度控制系统为例， （1）背景：工艺

（2）设原料流量和燃料流量都波动

（3）考虑：燃料流量波动可采用串级克服，原料流量波动采用前馈克服 （4）流程图P193 主变量：出口温度 副变量：燃料流量B q

前馈控制器输入：原料（进料）流量F q 推知B q 和F q 为两大主要干扰 方框图见P194

∴针对不同情况采用不同的控制系统

§5.3前馈控制系统的选用原则 扰动量的可测及不可控

§5.4前馈控制系统的工程整定

先整定好单回路或串级控制系统部分 近似

控制通道s

e

s T K s W 11)(110τ-+=

扰动通道s

f e

s T K s W 21

)(22τ-+=

前馈控制器s

f m e

s T s T K K s W s W s W )(211

20121

1)

()()(ττ-⋅++⋅

-

=-

=

1．静态参数Km 的确定 （1）整定好PID （2）试Km 的大小 2．动态参数T 1、T 2的确定 （1）先PID 和Km （2）使T 1=T 2

（3）T 1增或T 2减直至过补偿，然后T 1减或T 2增

§5.5前馈控制系统的工业应用

补充：热工模拟对象中单回路反馈控制与前馈-反馈控制的比较 一．仿真结果

1．单纯反馈（无前馈）

Simulink 仿真模型：

10%扰动（出水流量）仿真结果：