过程控制第4章前馈控制系统

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1、4.2 前馈控制系统设计,第三章 单回路控制系统设计 4.1 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,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 反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差

2、，控制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响,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,基于偏差的控制,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。,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。 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

3、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。 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： 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”。 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。 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。,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

4、补偿的局限性。 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。,前馈控制与反馈控制比较,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,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

5、采用前馈或前馈反馈控制系统 。,前馈控制系统的几种结构形式,1静态前馈 由教材求得的前馈控制器，它已考虑了两个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿器。它追求的目标是受控变量的完全不变性。而在实际生产过程中，有时并没有如此高的要求。只要在稳态下，实现对扰动的补偿。 令4-21式中的S为0，即可得静态前馈控制算式：,用物料（或能量）衡算式，可方便地获取较完善的静态前馈算式。例如，图4-13所示的热交换过程，假若忽略热损失，其热平衡关系可表述为：,图中虚线框表示了静态前馈控制装置。它是多输入的，能对物料的进口温度、流量和出口温度设定值作出静态前馈补偿。由于在（2.4-7）式中，Q与（10-i）是相乘关

6、系，所以这是一个非线性算式。由此构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。 注意，假若上式是对热平衡的确切描述的话，那么由此而构筑的非线性前馈控制器能实现静态的全补偿。对变量间存在相乘（或相除）关系的过程，非线性是很严重的，假若通过对它们采用线性化处理来设计线性的前馈控制器，则当工作点转移时，往往会带来很大误差。,换热器的静态前馈控制,在化工工艺参数中，液位和压力反映的是流量的积累量，因此液位和压力的前馈计算一般是线性的。但是温度和成分等参数它们代表流体的性质，其前馈计算常以非线性面目出现。从采用前馈控制的必要性来看，一般是温度和成分甚于液位和压力。一方面是由于稳定前者的重要性往往甚于后者

7、，另一方面温度和成分对象一般有多重滞后，仅采用反馈调节，质量还会不和要求。增加前馈补偿是改进控制的一条可行途径。对温度和成分控制应考虑采用非线性运算和动态补偿。图中的前馈补偿器输出是作为蒸汽流量回路的设定值。设置蒸汽流量回路是必要的，它可以使蒸汽流量按前馈补偿算式的要求进行精确跟踪。,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

8、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Gff(s)和Gpc(s)的变化。,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）,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。,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。,前馈-反馈控制方框图,干扰N对被控变量Y的闭环传递函数为：,应用绝对不变性条件：,可推导出前馈控制器的传

9、递函数：,可见: FFC-FBC系统实现完全补偿的条件与FFC相同。,前馈反馈控制系统优点：,（1）由于增加了反馈回路，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，大大简化了原有前馈控制系统； （2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求； （3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。 （4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且与反馈控制器特性有关。（同学试自己推导）,3、前馈-串级复合控制系统,前馈-反馈控制系统的局限性： 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

10、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片压力间的关系。 这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀(执行器)提出了严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。 另外，当有多个主要干扰时，用前馈-反馈不能得到要求的控制质量。,前馈-串级控制方框图,利用串级控制副回路的特性，降低对执行器要求：,同样，可根据不变性条件推导Wff的传递函数。,式中，Go2为副回路等效对象的传递函数：,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：,应用不变性条件：,可推导出前馈控制器的传递函数：,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

11、通道与控制通道的特性之比，并前面加以“负”号。,2 前馈控制器的设计(了解),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。,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。,前馈控制,前馈控制方框图,前馈控制,前馈控制方框图,前馈控制系统补偿过程,y1(t)+ y2(t)=0,2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

12、态不为0。,静态偏差 为0,动态偏差 不为0,3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，用表示。,二、前馈控制器的设计,1）输出Y(s)与扰动N(s)之间关系：,V(S),根据框图，有： 则根据绝对不变性原理：,满足输出绝对不变性前馈控制器：,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。,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 满足稳态不变性，

13、取t-(即s-0)的值。即只取其通道增益。有： 静态前馈控制器是一个比例环节。,t-,动态前馈要补偿的面积,动态过程产生的偏差,2、动态前馈控制器 动态前馈 Wff(s)满足绝对 不变性：,静态前馈控制,常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯性环节。,动态前馈控制器:,讨 论：,（1）To= Tf，则,若,动态前馈为纯迟延,可实现；,若,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,控 制,（2） f = o ，则,若To= Tf ,若ToTf ,若ToTf ,为超前补偿特性,为滞后补偿特性,为比例环节,一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用

14、:,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”）,考虑过程对象通道特性 如图所示换热器前馈控制系统即为单纯的动态前馈控制。,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）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

15、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。,Cp物料的比热容 hs蒸汽的汽化潜热,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：,由上式可求得，静态前馈控制方程式为：,静态前馈控制原理图,4 前馈控制系统的应用原则,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

16、控制大大提高控制品质。 （3）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。,特别注意:,串级控制系统与前馈-反馈控制系统在结构上的区别。,串级控制系统,前馈-反馈控制系统,设计错误的串级控制系统,上图所示的系统方框图,5 前馈控制系统的参数整定,1) Kff的整定（静态） 2) T1、T2的整定,1） Kff的整定,重要性：如果 Kff过小，补偿不足。如果 Kff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。 Kff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， Kff 由小逐步增大，直到被控变量回到给定值，此时 Kff 为最佳值。,（2）闭环整定方法：,在FFC-FBC运行下整定 方法1： 开关K打开，在只有反馈时，整定反馈控制器的参数；,开关K闭合，使系统处于前馈反馈状态，施加同样的干扰作用，由小而大逐渐改变Kff值。系统输出为以下几种情况:,Kff=0 无前馈,Kff适当 补偿合适,Kff太