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1、1,第七章 前馈及比值控制,7.1 前馈控制系统的原理与特点7.2 前馈控制系统的几种结构形式 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计） 7.4 比值控制系统,本章的主要内容:,2,7.1.1 前馈控制和不变性原理 P831）前馈控制的概念2）前馈控制的基本原理3）不变性原理（前馈控制的理论基础） 7.1.2 前馈控制系统的特点 P851）前馈控制的特点2） 前馈控制与反馈控制的比较,7.1 前馈控制系统的原理与特点,本节的主要内容:,3,前馈控制的概念 P83把影响过程控制的主要扰动预先测量出来，再根据对象的物质（或能量）平衡条件，计算出适应扰动的调节量进行调节，使被控变量维持在设定值上。这种
2、按扰动进行的开环控制方式称为前馈控制。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,4,例：换热器出口温度控制 P83图7.1-1Gff：前馈控制器 TC：温度控制器 ：变送器工作过程：加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热量传给排管内被加热的物料。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,5,例：换热器出口温度控制 P83图7.1-1出口温度 T 的控制：由蒸汽管路上的控制阀来进行引起 T 变化的因素：因素很多，最主要的扰动是加热物料的流量Q当流量Q发生扰动时，出口温度 T 就会产生偏差,7.1.1 前馈控制和不变性原理,6,7.1.1 前馈控制和不变性原理,7,用一般的控制方案：控制器根据温度T 的偏差进行
3、控制，当Q发生扰动时，要等T变化后，控制器才开始动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又要经过热交换的惯性，才会使T变化。这样，可能使T产生较大的动态误差。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,8,另外一种控制方案：根据被加热物料流量Q的变化信号，通过一个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量变化反映到出口温度T变化以后再去操作，而是根据流量的变化，立即对调节阀进行操作，甚至可以在T还没有变化前就及时对流量Q的扰动进行补偿.以上的控制称为前馈控制，这个扰动补偿器称为前馈控制器,7.1.1 前馈控制和不变性原理,9,前馈控制系统方块图：P84 图7.1-2（7.1-1）Gff（s）: 前馈控制器传函（
4、前馈补偿器）GPD（s）: 对象干扰通道传函GPC（s）: 对象控制通道传函,7.1.1 前馈控制和不变性原理,10,7.1.1 前馈控制和不变性原理,11,系统对扰动的全补偿条件： P84当（s） 0时，要求（s）= 0（7.1-3）满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受f(t)变化影响,7.1.1 前馈控制和不变性原理,12,全补偿过程: P84 图7.1-3当F阶跃变化时，yc ( t)和yd(t)的变化曲线方向相反，幅值相同。合成结果：y ( t) = yc ( t) + yd(t) = ct 连续维持在恒定的设定值上,7.1.1 前馈控制和不变性原理,13,7.1.1 前馈控制和不
5、变性原理,14,不变性原理的理论基础 P84“不变性”的概念：控制系统的被控变量与扰动量完全无关。 然而，进入控制系统中的扰动必须通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离给定值的变化。不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。,7.1.1 前馈控制和不变性原理,15,不变性的类型 P84,7.1.1 前馈控制和不变性原理,16,前馈控制的特点： P85 前馈控制是按照扰动作用大小进行控制的，如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时； 前馈控制属于开环控制系统。反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产生控制作用后，对被控变量
6、的影响并不返回来影响控制器的输入信号（扰动量）。,7.1.2 前馈控制系统的特点,17,前馈控制的特点：前馈控制系统是一个开环控制系统，这一点从某种意义上来讲是前馈控制的不足之处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈控制对被控对象的特性了解必须比反馈控制清楚的多，才能得到一个比较合适的前馈控制作用。,7.1.2 前馈控制系统的特点,18,前馈控制的特点： 前馈控制使用的是视对象而定的专用控制器。一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的； 前馈控制只能克
7、服可测的扰动量的影响，如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。,7.1.2 前馈控制系统的特点,19,前馈控制与反馈控制的比较：P85表7.1-1,7.1.2 前馈控制系统的特点,20,前馈控制与反馈控制的比较： 反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进行控制的，如果干扰已经发生，而被控参数都还没有变化，则控制器不会产生校正作用。故反馈控制落后于干扰作用，对干扰的控制不及时。前馈控制是按照干扰作用进行控制的，对干扰的控制是及时的。理论上对干扰影响可以达到完全补偿，使被控参数不变。,7.1.2 前馈控制系统的特点,21,前馈控制与反馈控制的比较： 前馈控制对时间常数或滞后时间较大、干扰大而频繁的对象有
8、显著效果。而反馈控制对此类对象的控制难以满足要求。 前馈控制是开环控制，其控制效果不通过反馈来检验；反馈控制是闭环控制，其控制效果要通过反馈来检验。,7.1.2 前馈控制系统的特点,22,7.2.1 静态前馈 P85 7.2.2 动态前馈 P86 7.2.3 前馈反馈控制系统 P87 7.2.4 前馈串级控制系统 P88 7.2.5 多变量前馈 P89,7.2 前馈控制系统的几种结构形式,本节的主要内容:,23,概念：指前馈控制器的输出与输入为一个静态系统，与时间因子无关。 在生产过程中，有时只要求在稳定工况下实现对扰动的补偿，这时只要采用静态前馈控制即可。前馈静态控制系统实施起来很方便，用一
9、般的比值器或者比例控制器即可，在生产上获得了广泛应用。,7.2.1 静态前馈控制系统,24,静态前馈控制算式的获取：P86 图7.2-1（7.2-1）实例：换热器出口温度控制利用物料平衡算式求得较完善的静 态前馈算式。热平衡算式：f Cp（y - y0）= ys Hs （7.2-2）ys = f Cp （r - y0）/ Hs （7.2- 4）,7.2.1 静态前馈控制系统,25,静态前馈控制算式的获取：P86 图7.2-1上式即为静态前馈控制算式（非线性算式）在化工工艺参数中：液压和压力的前馈计算：线性的温度和成分的前馈计算：非线性的,7.2.1 静态前馈控制系统,26,7.2.1 静态前馈
10、控制系统,27,在生产过程中，当考虑系统的动态精度时，静态前馈控制往往不能满足工艺要求，此时需采用动态前馈控制。 P86图7.2-2比较: P84式7.1-3 和 P86式7.2-1，可见 静态前馈是动态前馈控制的一种特例。动态前馈可以看作静态前馈和动态前馈补偿两部分，它们结合在一起，可以进一步提高控制过程的动态品质。,7.2.2 动态前馈控制系统,28,1）讨论重点：针对非线性过程在静态非线性前馈基础上添加动态补偿的问题。 2）方法：工程设计方法对于非线性过程，要通过非线性状态方程来求取非线性动态前馈补偿器是比较困难的。 3）步骤：采用工程设计方法，设计非线性动态前馈控制器,7.2.2 动态
11、前馈控制系统,29,3）步骤： 按物料平衡和能量平衡关系求取对象静态模型（一般为非线性关系），进而求取静态前馈模型（一般为非线性模型）； 逐个测取对象各通道的动态特性，分成静态部分和动态部分。在设计中，需添加的动态补偿环节仅是传函的动态部分；,7.2.2 动态前馈控制系统,30,3）步骤： 将静态前馈模型中的非线性环节线性化： 将乘法器线性化后组成的静态前馈补偿器与线性化后的被控过程相结合，组成一个具有静态前馈补偿的线性系统； 在线性化后的静态前馈模型基础上，结合对象各通道的动态部分，按全补偿要求添加动态补偿环节； 将线性化处理后的环节恢复成原有的非线性环节。,7.2.2 动态前馈控制系统,3
12、1,4）注意的问题前馈控制器中有几个环节用了传递函数表达式，它们仅表示该环节的输入输出信号存在线性动态关系，并不意味着整个前馈方框可用传递函数来表示；前馈控制器是非线性的（因包括乘法环节）对非线性过程不能应用传递函数来描述。,7.2.2 动态前馈控制系统,32,前馈控制的局限性： P87 1）前馈控制系统存在偏差 实际的工业对象会有多个扰动，若都设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要扰动加前馈控制。这样的前馈控制器对其它扰动是没有校正作用的； 受前馈控制模型精度限制,7.2.3 前馈-反馈控制系统,33,前馈控制的局限性： P87 1）前馈控制系统存在偏差
13、用仪表来实现前馈控制算式时，往往做了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节或纯微分环节时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的，如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节；,7.2.3 前馈-反馈控制系统,34,前馈控制的局限性： P87 2） 前馈控制不存在被控变量的反馈，无法检 验补偿效果。 解决方法：将前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈 - 反馈控制系统。综合两者的优点：前馈校正：对扰动的控制及时反馈控制：能够克服多种扰动的影响对被控变量最终检验,7.2.3 前馈-反馈控制系统,35,前馈-反馈算式的求取： 例：换热器的前馈-反馈控
14、制系统原理图： P87 图7.2-3方块图： P88 图7.2-4传递函数：（7.2-5）,7.2.3 前馈-反馈控制系统,36,7.2.3 前馈-反馈控制系统,37,7.2.3 前馈-反馈控制系统,38,前馈-反馈算式的求取 例：换热器的前馈-反馈控制系统 补偿原理：不变性原理F（s） 0时, Y（s）= 0（带入式7.2-5中）（7.2-6）与单纯前馈系统实现全补偿的算式相同,7.2.3 前馈-反馈控制系统,39,前馈-反馈系统的优点 P88从前馈角度：反馈控制对未选作前馈信号的干扰有校正作用；从反馈角度：前馈补偿减小了反馈控制的负担。,7.2.3 前馈-反馈控制系统,40,1）应用场合： P882）优点：,7.2.4 前馈-串级控制系统,41,3）应用实例：换热器温度控制原理框图：P88图7.2-5,7.2.4 前馈-串级控制系统,42,7.2.4 前馈-串级控制系统,43,4）前馈算式求取 P89（7.2-7）（7.2-8）式中，PC（s）是包括蒸汽流量回路和（s）在内的广义控制通道传递函数。,7.2.4 前馈-串级控制系统,44,4）前馈算式求取有时，适当的选择（s）使流量闭合回路的工作频率远大于主回路工作频率，副回路是个快速随动系统，其等效环节可近似看成“”，这时（7.2- 8） 可见，在前馈串级控制系统中前馈补偿器的数学模型由系统扰动通道与主回路特性之比决定。,
