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1、前馈控制前馈控制v前馈控制的提出和基本概念前馈控制的提出和基本概念v前馈控制系统的结构前馈控制系统的结构v前馈控制的选用与稳定性前馈控制的选用与稳定性v前馈控制系统的工程整定前馈控制系统的工程整定v前馈控制系统的工业应用前馈控制系统的工业应用前馈控制的提出和基本概念前馈控制的提出和基本概念换热器工艺流程图换热器工艺流程图换热器控制要求换热器温度反馈控制系统换热器温度反馈控制系统TTTC反馈控制系统的特点v反馈控制的本质是反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏基于偏差来消除偏差差”。v是一种是一种“不及时不及时”的控制：无论扰动发的控制：无论扰动发生在哪里，总要等到被控量发生偏差后，生在哪里，总要等
2、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。落后扰动作用的发生。v存在存在“稳定性稳定性”问题：必须进行分析。问题：必须进行分析。v对包围在环内的一切扰动量均能抑制。对包围在环内的一切扰动量均能抑制。前馈控制的原理与特点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，构成前馈控制系统动，构成前馈控制系统FT前馈补偿器前馈补偿器前馈控制系统框图GPD(s)GPC(s)前馈控制的补偿原理前馈控制的补偿原理前馈控制的特点前馈控制的特点v“基于扰动来消除扰动对被控量的影响基于扰动来消除扰动对被
3、控量的影响”，又称为，又称为“扰动补偿扰动补偿”；v扰动发生后，前馈控制扰动发生后，前馈控制“及时及时”动作；动作；v属于开环控制，只要系统中各环节是稳属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；定的，则控制系统必然稳定；v只适合于只适合于可测不可控可测不可控的扰动；的扰动；v控制规律取决于被控对象的特性；控制规律取决于被控对象的特性；v一种前馈控制只能克服一种扰动。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）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。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
4、之间的相互独）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立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数传递函数无关联无关联，从而，从而控制量控制量无法改变无法改变扰动扰动量量的大小。的大小。前馈控制的局限性前馈控制的局限性v完全补偿难以实现：扰动通道和完全补偿难以实现：扰动通道和控制通道的数学模型很难准确求出；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。即使求出，工程上难以实现。v只能克服只能克服可测不可控可测不可控的扰动的扰动前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式v单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统v前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统v前馈
5、前馈-串级控制系统串级控制系统前馈前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统补偿器数学模型结构一的数学模型结论结论2.只要对主要干扰进行前馈补偿，其它干扰由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。反馈控制予以校正。结构之二结构之二补偿器数学模型补偿器数学模型工业应用：加热炉前馈工业应用：加热炉前馈-反馈控制反馈控制FTTT分析前馈前馈-串级复合控制系统串级复合控制系统v典型结构框图：由于串级控制系统对进入典型结构框图：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。以前馈控制主要克服一次扰动。前馈控制模型前馈
6、控制模型工业应用：加热炉温度控制系统工业应用：加热炉温度控制系统FTTTFT习题习题5.11确定控制器的正反作用形式确定控制器的正反作用形式v先研究副调节器先研究副调节器v再研究主调节器再研究主调节器习题习题5.12v画出结构图画出结构图;v串级控制是由内外两个反馈回路所组成，串级控制是由内外两个反馈回路所组成，而前馈而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和另反馈控制是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成；一个开环的补偿回路叠加而成；v串级控制中的副参数是反映主被控变量的串级控制中的副参数是反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果；而前馈效
7、果；而前馈-反馈控制中的前馈输入量是反馈控制中的前馈输入量是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量；全不受控制作用约束的独立变量；a图的框图图的框图b图的框图图的框图前馈控制的选用与稳定性前馈控制的选用与稳定性v实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性不可控性（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在）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。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）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立
8、性，即控制通道的传递函数与扰动通道的立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数传递函数无关联无关联，从而，从而控制量控制量无法改变无法改变扰动扰动量量的大小。的大小。前馈控制的选用与稳定性前馈控制的选用与稳定性v前馈控制系统的稳定性前馈控制系统的稳定性（1）前馈控制是开环控制，只要各环节是稳）前馈控制是开环控制，只要各环节是稳定的，系统就是稳定的；定的，系统就是稳定的；（2）前馈）前馈-反馈、前馈反馈、前馈-串级系统，只要反馈串级系统，只要反馈或串级系统是稳定的，则相应的前馈或串级系统是稳定的，则相应的前馈-反馈、反馈、前馈前馈-串级控制系统也一定稳定；串级控制系统也一定稳定；（3）无自平
9、衡能力的生产过程，通常不能单）无自平衡能力的生产过程，通常不能单独使用前馈控制。独使用前馈控制。前馈控制系统的工程整定前馈控制系统的工程整定v前馈控制模型是由过程扰动通道和过前馈控制模型是由过程扰动通道和过程控制通道决定的，但准确获取过程程控制通道决定的，但准确获取过程扰动通道和过程控制通道的传递函数扰动通道和过程控制通道的传递函数通常很困难，所以理论整定难以进行，通常很困难，所以理论整定难以进行，目前广泛采用的是工程整定法。目前广泛采用的是工程整定法。v参见教材参见教材P138-142。前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施v相当数量的工业对象都具有非周期性与相当数量的工业对象都具有非周期性与
10、过阻尼的特性，经常可用一个一阶或二过阻尼的特性，经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串一个纯滞后环阶容量滞后，必要时再串一个纯滞后环节来近似。节来近似。动态特性动态特性具有超前特性，适合具有超前特性，适合于控制通道滞后大于于控制通道滞后大于干扰通道滞后干扰通道滞后具有滞后特性，适合具有滞后特性，适合于控制通道滞后小于于控制通道滞后小于干扰通道滞后干扰通道滞后实现办法实现办法大滞后补偿控制大滞后补偿控制v大滞后带来的影响大滞后带来的影响v大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制v增益自适应的预估补偿控制增益自适应的预估补偿控制大滞后带来的影响大滞后带来的影响v由于过程控制通道中纯滞后
11、的存在，被控由于过程控制通道中纯滞后的存在，被控量不能及时反映系统承受的扰动。量不能及时反映系统承受的扰动。扰动量扰动量影响的反映要依靠被控参数的检测，由于影响的反映要依靠被控参数的检测，由于滞后的存在，反映时间滞后，因而开始调滞后的存在，反映时间滞后，因而开始调节的时间也滞后节的时间也滞后调节不及时。调节不及时。v过程会产生明显的超调量和较长的调节时过程会产生明显的超调量和较长的调节时间。（原因是调节不及时）间。（原因是调节不及时）大滞后的界定与控制方案大滞后的界定与控制方案大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制v基本思想：按照过程特性，预估出基本思想：按照过程特性，预估出一种模型
12、加入到反馈控制系统中，一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性。以补偿过程的动态特性。Smith预估补偿控制预估补偿控制Smith预估补偿控制系统预估补偿控制系统Smith预估补偿控制等效框图预估补偿控制等效框图Smith补偿的实现补偿的实现v用近似数学模型模拟纯滞后环节用近似数学模型模拟纯滞后环节帕德帕德一阶和二阶近似式一阶和二阶近似式帕德一阶近似式帕德一阶近似式帕德二阶近似式帕德二阶近似式帕德近似式的实现帕德近似式的实现Smith补偿控制系统框图补偿控制系统框图Smith预估补偿控制存在的问题预估补偿控制存在的问题增益自适应预估补偿控制增益自适应预估补偿控制A/B加热炉温度预估补
13、偿控制加热炉温度预估补偿控制v轧钢车间加热炉多点平均温度反馈轧钢车间加热炉多点平均温度反馈控制系统控制系统 系统主要配置：系统主要配置：六台设有断偶报警六台设有断偶报警装置的温度变送器、三台高值选择装置的温度变送器、三台高值选择器、一台加法器、一台器、一台加法器、一台PID调节器和调节器和一台电一台电/气转换器气转换器加热炉温度反馈控制系统流程图加热炉温度反馈控制系统流程图TT1TT2TT3TT4TT5TT6系统简介Smith预估补偿控制方案预估补偿控制方案Smith预估补偿器预估补偿器Smith预估补偿控制分析预估补偿控制分析增益自适应补偿控制方案增益自适应补偿控制方案TT1TT2TT1TT2TT1TT2等效框图等效框图增益自适应增益自适应PID控制的实现控制的实现调节器比例增益的自动修改调节器比例增益的自动修改
