《前馈控制系统》课件
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《前馈控制系统》
（1）可测：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所能接受的信号。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性， 即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数无关 联，从而控制量无法改变扰动量的大小。
《前馈控制系统》
前馈控制的局限性 • 完全补偿难以实现：扰动通道和控 制通道的数学模型很难准确求出； 即使求出，工程上难以实现。 • 只能克服可测不可控的扰动
X1(s) X 2(s) GC1 ( s)
GC2 (s)
Y2 (s)
GPD (s)
GP2 (s) GPC (s)
Y1 ( s )
《前馈控制系统》
前馈控制模型
可以求出：Y2 (s) GC2 (s)GP2 (s) X 2 (s) 1 GC 2 (s)GP2 (s)
动态结构图简化为：
G ff (s)
F1 ( s )
X1(s) X 2 (s) GC1 ( s)
Y2 (s) X 2 (s)
GPD (s)
GPC (s)
Y1来自百度文库( s )
《前馈控制系统》
工业应用：加热炉温度控制系统
G ff (s)
FT
F1
FC
TT
TC
o
《前馈控制系统》
FT
FB
习题5.11
T0
X2
9
9
Gff (s)
F1 ( s )
控制要求：热流体温度 被控参数：热流体温度 控制参数：蒸汽流量 主要扰动：
1 恒定 1 Fs
（ 1）被加热的物料流量
F
（ 2）入口温度 2 （ 3）蒸汽压力 p D
《前馈控制系统》
换热器温度反馈控制系统
蒸汽
10
TC
pD , Fs
TT
F,2
冷凝液
《前馈控制系统》
1 F
反馈控制系统的特点
• 反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。 • 是一种“不及时”的控制：无论扰动发生在哪里，
Y (s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)F (s)
GC (s)GPC (s)Y (s)
Y (s) GPD (s) G ff (s)GPC (s)
F (s)
1 GC (s)GPC (s)
在单纯前馈控制下：Y (s) F (s)
GPD (s) G ff
(s)GPC
《前馈控制系统》
前馈控制系统的结构形式
• 单纯的前馈控制系统 • 前馈-反馈控制系统 • 前馈-串级控制系统
《前馈控制系统》
前馈-反馈复合控制系统
结构之一：
X (s)
GC (s)
G ff (s) GPC (s)
F(s)
GPD (s)
Y (s)
《前馈控制系统》
补偿器数学模型
在F作用下，系统输出为:
0.5 2s 1
2
2 Y2 3
T
2s 1
2s 1
1
1
《前馈控制系统》
确定控制器的正反作用形式
• 先研究副调节器
副对象是蒸汽流量控制： （1）控制阀开度增大 蒸汽流量增加
控制参数：燃油流量FB 主要扰动：进料流量F1 前馈控制量：F2 其它扰动：进料温度、燃料油压力等由反馈 调节器产生的控制作用调节。
《前馈控制系统》
前馈-串级复合控制系统
• 典型结构框图：由于串级控制系统对进入副回路 的扰动影响有较强的抑制作用，所以前馈控制主 要克服一次扰动。
Gff (s)
F1 ( s )
总要等到被控量发生偏差后，调节器才开始调 节，调节器的动作总要落后扰动作用的发生。 • 存在“稳定性”问题：必须进行分析。 • 对包围在环内的一切扰动量均能抑制。
《前馈控制系统》
前馈控制的原理与特点
选择影响被控量，并且可测量的主要扰动，构 成前馈控制系统
蒸汽
前馈补偿器
FT
pD , Fs
F
1 F
冷凝液 《前馈控制系统》
前馈控制
• 前馈控制的提出和基本概念 • 前馈控制系统的结构 • 前馈控制的选用与稳定性 • 前馈控制系统的工程整定 • 前馈控制系统的工业应用
《前馈控制系统》
前馈控制的提出和基本概念
换热器工艺流程图
F：流体流量 2：冷流体温度
1：热流体温度
蒸汽
pD , Fs
F,2
1
冷凝液
《前馈控制系统》
换热器控制要求
GPD GPC
(s) (s)
《前馈控制系统》
结论
1.前馈 反馈控制，扰动量对被控量的影响 为原来的[1/1 GC (s)GPC (s)]，说明由于反馈 的存在不仅可以降低对前馈补偿器精度的要 求，同时对于工况变动时所引起对象非线性 特性参数的变化具有一定的适应能力。
2.只要对主要干扰进行前馈补偿，其它干扰由反馈控 制予以校正。
前馈控制系统框图
G ff (s）
qD
F
GPD(s) 1 GPC(s)
《前馈控制系统》
前馈控制的补偿原理
F (s)
G ff (s) GPC (s)
GPD (s)
1 (s)
1(s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)F (s)
1 (s) F (s)
GPD (s)
G ff
(s)GPC
Y (s) GPD (s) G ff (s)GPC (s)GC (s) 0
F (s)
1 GC (s)GPC (s)
G
ff
(s)
GPD (s) GPC (s)GC (s)
(全补偿条件）
《前馈控制系统》
工业应用：加热炉前馈-反馈控制
G ff
FT
F1
TT
TC
《前馈控制系统》
o
FB
分析
被控参数：出口温度
(s)
《前馈控制系统》
结构一的数学模型
在F作用下，系统输出为:
Y (s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)F (s)
GC (s)GPC (s)Y (s)
Y (s) GPD (s) G ff (s)GPC (s) 0
F (s)
1 GC (s)GPC (s)
G
ff
(s)
《前馈控制系统》
结构之二
X (s)
GC (s)
G ff (s) GPC (s)
F(s)
GPD (s)
Y (s)
《前馈控制系统》
补偿器数学模型
在F作用下，系统输出为:
Y (s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)GC (s)F (s)
GC (s)GPC (s)Y (s)
(s)
0
前馈控制器模型为：G ff
《前馈控制系统》
(s)
GPD GPC
(s) (s)
前馈控制的特点
• “基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称 为“扰动补偿”；
• 扰动发生后，前馈控制“及时”动作； • 属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，
则控制系统必然稳定； • 只适合于可测不可控的扰动； • 控制规律取决于被控对象的特性； • 一种前馈控制只能克服一种扰动。
（1）可测：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所能接受的信号。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性， 即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数无关 联，从而控制量无法改变扰动量的大小。
《前馈控制系统》
前馈控制的局限性 • 完全补偿难以实现：扰动通道和控 制通道的数学模型很难准确求出； 即使求出，工程上难以实现。 • 只能克服可测不可控的扰动
X1(s) X 2(s) GC1 ( s)
GC2 (s)
Y2 (s)
GPD (s)
GP2 (s) GPC (s)
Y1 ( s )
《前馈控制系统》
前馈控制模型
可以求出：Y2 (s) GC2 (s)GP2 (s) X 2 (s) 1 GC 2 (s)GP2 (s)
动态结构图简化为：
G ff (s)
F1 ( s )
X1(s) X 2 (s) GC1 ( s)
Y2 (s) X 2 (s)
GPD (s)
GPC (s)
Y1来自百度文库( s )
《前馈控制系统》
工业应用：加热炉温度控制系统
G ff (s)
FT
F1
FC
TT
TC
o
《前馈控制系统》
FT
FB
习题5.11
T0
X2
9
9
Gff (s)
F1 ( s )
控制要求：热流体温度 被控参数：热流体温度 控制参数：蒸汽流量 主要扰动：
1 恒定 1 Fs
（ 1）被加热的物料流量
F
（ 2）入口温度 2 （ 3）蒸汽压力 p D
《前馈控制系统》
换热器温度反馈控制系统
蒸汽
10
TC
pD , Fs
TT
F,2
冷凝液
《前馈控制系统》
1 F
反馈控制系统的特点
• 反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。 • 是一种“不及时”的控制：无论扰动发生在哪里，
Y (s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)F (s)
GC (s)GPC (s)Y (s)
Y (s) GPD (s) G ff (s)GPC (s)
F (s)
1 GC (s)GPC (s)
在单纯前馈控制下：Y (s) F (s)
GPD (s) G ff
(s)GPC
《前馈控制系统》
前馈控制系统的结构形式
• 单纯的前馈控制系统 • 前馈-反馈控制系统 • 前馈-串级控制系统
《前馈控制系统》
前馈-反馈复合控制系统
结构之一：
X (s)
GC (s)
G ff (s) GPC (s)
F(s)
GPD (s)
Y (s)
《前馈控制系统》
补偿器数学模型
在F作用下，系统输出为:
0.5 2s 1
2
2 Y2 3
T
2s 1
2s 1
1
1
《前馈控制系统》
确定控制器的正反作用形式
• 先研究副调节器
副对象是蒸汽流量控制： （1）控制阀开度增大 蒸汽流量增加
控制参数：燃油流量FB 主要扰动：进料流量F1 前馈控制量：F2 其它扰动：进料温度、燃料油压力等由反馈 调节器产生的控制作用调节。
《前馈控制系统》
前馈-串级复合控制系统
• 典型结构框图：由于串级控制系统对进入副回路 的扰动影响有较强的抑制作用，所以前馈控制主 要克服一次扰动。
Gff (s)
F1 ( s )
总要等到被控量发生偏差后，调节器才开始调 节，调节器的动作总要落后扰动作用的发生。 • 存在“稳定性”问题：必须进行分析。 • 对包围在环内的一切扰动量均能抑制。
《前馈控制系统》
前馈控制的原理与特点
选择影响被控量，并且可测量的主要扰动，构 成前馈控制系统
蒸汽
前馈补偿器
FT
pD , Fs
F
1 F
冷凝液 《前馈控制系统》
前馈控制
• 前馈控制的提出和基本概念 • 前馈控制系统的结构 • 前馈控制的选用与稳定性 • 前馈控制系统的工程整定 • 前馈控制系统的工业应用
《前馈控制系统》
前馈控制的提出和基本概念
换热器工艺流程图
F：流体流量 2：冷流体温度
1：热流体温度
蒸汽
pD , Fs
F,2
1
冷凝液
《前馈控制系统》
换热器控制要求
GPD GPC
(s) (s)
《前馈控制系统》
结论
1.前馈 反馈控制，扰动量对被控量的影响 为原来的[1/1 GC (s)GPC (s)]，说明由于反馈 的存在不仅可以降低对前馈补偿器精度的要 求，同时对于工况变动时所引起对象非线性 特性参数的变化具有一定的适应能力。
2.只要对主要干扰进行前馈补偿，其它干扰由反馈控 制予以校正。
前馈控制系统框图
G ff (s）
qD
F
GPD(s) 1 GPC(s)
《前馈控制系统》
前馈控制的补偿原理
F (s)
G ff (s) GPC (s)
GPD (s)
1 (s)
1(s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)F (s)
1 (s) F (s)
GPD (s)
G ff
(s)GPC
Y (s) GPD (s) G ff (s)GPC (s)GC (s) 0
F (s)
1 GC (s)GPC (s)
G
ff
(s)
GPD (s) GPC (s)GC (s)
(全补偿条件）
《前馈控制系统》
工业应用：加热炉前馈-反馈控制
G ff
FT
F1
TT
TC
《前馈控制系统》
o
FB
分析
被控参数：出口温度
(s)
《前馈控制系统》
结构一的数学模型
在F作用下，系统输出为:
Y (s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)F (s)
GC (s)GPC (s)Y (s)
Y (s) GPD (s) G ff (s)GPC (s) 0
F (s)
1 GC (s)GPC (s)
G
ff
(s)
《前馈控制系统》
结构之二
X (s)
GC (s)
G ff (s) GPC (s)
F(s)
GPD (s)
Y (s)
《前馈控制系统》
补偿器数学模型
在F作用下，系统输出为:
Y (s) GPD (s)F (s) G ff (s)GPC (s)GC (s)F (s)
GC (s)GPC (s)Y (s)
(s)
0
前馈控制器模型为：G ff
《前馈控制系统》
(s)
GPD GPC
(s) (s)
前馈控制的特点
• “基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称 为“扰动补偿”；
• 扰动发生后，前馈控制“及时”动作； • 属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，
则控制系统必然稳定； • 只适合于可测不可控的扰动； • 控制规律取决于被控对象的特性； • 一种前馈控制只能克服一种扰动。