《42前馈控制ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《42前馈控制ppt课件（39页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、4-2前馈控制前馈控制4-2前馈控制前馈控制4-2-1 前馈控制的工作原理及其特点前馈控制的工作原理及其特点4-2-2 前馈控制系统的结构前馈控制系统的结构 4-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定 4-2-4 前馈控制系统的工程应用前馈控制系统的工程应用 14-2-1 前馈控制的工作原理及其特点l产生前馈控制的背景：产生前馈控制的背景： 有些生产过程中采用常规反馈控制系统无法满足工艺的要求。l其他反馈控制的缺点：其他反馈控制的缺点：1. 无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。2. 被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故限 制了控制作用的充分发挥。l l技术思路技术思
2、路技术思路技术思路1.1. 直接按扰动而不是按偏差进行控制。2. 干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。3. 这种前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。24-2-1 前馈控制的工作原理及其特点FwffFSMff1 2 TCFFS1 (a)反馈控制(b)前馈控制34-2-1 前馈控制的工作原理及其特点l 前馈控制方案前馈控制方案FFC按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响。 换热器进料量为出口温度的主要干扰量，可通过流量测量，通过前馈装置，控制阀门，即用蒸汽变化补偿由于进料流量变化对出口温度的影响。l 超前控制超前控制wffFFSMff1 2 4wffFF
3、SMff1 2 前馈控制wff(S)wPD(S)wPC(S)+d cF1 前馈控制方框图前馈控制系统的补偿过程4-2-1 前馈控制的工作原理及其特点FF1Dctt54-2-1 前馈控制的工作原理及其特点 前馈控制理论基础是“不变性原理”或“干扰补偿理论”。wff(S)wPD(S)wPC(S)+d cF1 前馈控制方框图WPD(s)、WPC(s)分别为对象干扰通道与控制通道的传递函数。FF1DCtt64-2-1 前馈控制的工作原理及其特点工程实际中几种不变性工程实际中几种不变性（1）绝对不变性：）绝对不变性：（2）误差不变性：）误差不变性：（3）稳态不变性：）稳态不变性：（4）选择不变性：对主要
4、扰动不变性）选择不变性：对主要扰动不变性不变性原理：不变性原理：不变性原理：不变性原理：控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一控制系统的被调量与扰动量绝对无关或在一 定定准确度下无关。即：准确度下无关。即：U(s)Y(s)D1(s) Di(s)Dn(s)被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动74-2-1 前馈控制的工作原理及其特点系统对干扰F实现完全补偿的条件：可得前馈控制器传递函数：可以看出，前馈控制器的控制规律为对象的干扰通道与控制通道的特性之比，式中的“负”号表示控制作用与干扰作用的方向相反。84-2-1 前馈控制的工作原理及其特点1.前馈控制按
5、直接按干扰作用的大小进行控制，比反馈控制要及时。2.前馈控制属于开环控制;开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计的要求比较严格 。3.前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、可测不可控的扰动，而不能克服不可测的扰动。4.前馈控制系统一般只能实现局部补偿而不能保证被调量的完全不变，一种前馈控制只能控制一种干扰。5.前馈控制器是视对象特性而定的“专用”控制器；不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。94-2-1 前馈控制的工作原理及其特点l前馈控制与反馈控制的比较 104-2-2 前馈控制系统的结构 l1.静态前馈控制静态前馈控制l2.动态前馈控制动态前馈控制l3
6、.前馈前馈-反馈控制反馈控制l4.前馈前馈-串级控制串级控制114-2-2 前馈控制系统的结构1.静态前馈控制l定义：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。只能有效抑制静态偏差，而不保证其动态偏差只能有效抑制静态偏差，而不保证其动态偏差 。l 适用范围：适用范围：1.一般对于补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近，均可采用静态前馈控制。2. 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。l 例如：例如：如下图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量F与进料量温度为主要干扰，忽略热损失。则热量平衡式为
7、：124-2-2 前馈控制系统的结构WffFFSMff1 2 Cp物料的比热容hs蒸气的汽化潜热134-2-2 前馈控制系统的结构由上式可求得，静态前馈控制方程式为：静态前馈控制流程原理图FFSMff1 2 Cp/hS1i -FC静态前馈控制器静态前馈控制器144-2-2 前馈控制系统的结构2.动态前馈控制 如下图所示换热器前馈控制系统即为单纯的动态前馈控制。即能有效有效抑制动态偏差抑制动态偏差WffFFSMff1 2 作用：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这一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，此时154-2-2 前馈控制
8、系统的结构wff(s)wpc(s)wpd(s)F一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用W164-2-2 前馈控制系统的结构T1=Tpc，T2=Tpd，对系统的影响：，对系统的影响：蓝线为前馈控制器输出，红线为系统输出蓝线为前馈控制器输出，红线为系统输出wff(s)wpc(s)wpd(s)F174-2-2 前馈控制系统的结构3. 前馈前馈-反馈控制反馈控制使可测扰动对系统没有影响或影响很小；使可测扰动对系统没有影响或影响很小；对系统的稳定性没有影响。对系统的稳定性没有影响。前馈控制的优点：前馈控制的优点：反馈控制的优点：反馈控制的优点：任何扰动对
9、系统的影响均可消除；任何扰动对系统的影响均可消除；系统准确性高。系统准确性高。对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；控制器和对象参数变化影响系统的准确性。控制器和对象参数变化影响系统的准确性。前馈控制的缺点：前馈控制的缺点：反馈控制的缺点：反馈控制的缺点：有偏差才控制有偏差才控制不能事先规定调节器的输出不能事先规定调节器的输出将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短184-2-2 前馈控制系统的结构一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。为了解决上述局限性，将前馈与反馈相结合，构成前馈-反馈控制系统（FFC-FBC）
10、当F变化时，前馈控制器改变加热蒸气Fs以补偿F对被控变量1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1尽快回到给定值。WffFMff1 2 TCFS194-2-2 前馈控制系统的结构前馈前馈- -反馈控制系统作用反馈控制系统作用：前馈-反馈控制方框图Wff(S)WPD(S)WPC(S)+-d 1iF1 WC(S)+前馈控制克服反馈控制不能及时调节的主要干扰，而对其它干扰则进行反馈控制。Sp.WffFMff1 2 TC既发挥了前馈校正及时的优点，又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。 204-2-2 前馈控制系统的结构干扰F对
11、被控变量1的闭环传递函数为：应用不变性条件：可推导出前馈控制器的传递函数： 可见FFC-FBC系统实现完全补偿与开环FFC相同214-2-2 前馈控制系统的结构前馈前馈- -反馈控制系统优点反馈控制系统优点：（1）由于增加了反馈回路，大大简化了原有前 馈控制系统，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；（2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；（3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能力。224-2-2 前馈控制系统的结构4.前馈-串级控制前馈-反馈控制系统的局限性： （1）前馈控制器的
12、输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制阀，这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头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区（要求）。 （2）必须要求控制阀前后压差恒定，否则无法实现精确的校正（保证）。 （）为解决上述问题将前馈与串级相结合构成前馈-串级控制系统（解决）。234-2-2 前馈控制系统的结构如果蒸汽流量不稳定，无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥 Sp.GffFMff1 2 TCSp.GffFMff1 2 TCFCFS解决办法：串级控制前馈-反馈244-2-2 前馈控制系统的结构同样，可
13、根据不变性条件推导系统的传递函数：式中，GP2为副回路等效对象的传递函数：254-2-2 前馈控制系统的结构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通道与控制通道的特性之比，并前面加以“负”号。264-2-2 前馈控制系统的结构原油燃料274-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定1.前馈控制的选用原则2.前馈控制规律的实施 3.前馈控制的整定284-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定1.采用前馈控制，其选用
14、的原则是：1）若控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈控制达不到良好的控制效果时，可引入前馈控制。2）当系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动时，反馈控制难以克服扰动对被控量的影响，这时可引入前馈控制加以改善控制品质。例如，在锅炉汽包水位控制系统中，引入了蒸汽流量前馈信号，蒸汽流量对被控水位来说就是一个可测而不可控的扰动信号。3）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。4）经济实用原则。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，就不必选用动态前馈。294-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定2.前馈控制规
15、律的实施：l前馈控制器的控制规律均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性。由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形式繁多, 不利于实施。l 工业应用希望控制规律能具有一定的通用性，便于控制实施（特别是仪表）。l 实践证明，相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。如304-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定的实现 的实现 1）2） 实施比较容易，可采用比例调节器若若T1=T2,若若T1 T2,若若T1T2,为超前补偿特性为超前补偿特性为滞后补偿特性为滞后补偿特性为比例环节为比例环节31
16、4-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定3）的实现 对一般工程可取一阶近似： 可见纯时延环节亦可用一阶惯性环节的常规仪表与加法器即可实现 324-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定3.前馈控制的整定1）Kfff的整定2）T1.T2的整定334-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定1） Kff的整定l重要性：如果正确的选择Kff，也就能正确地决定阀位。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。lKff的整定方法：l （ 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
17、， 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。 344-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定（2）闭环整定方法：Kff闭环整定法系统方框图Wff(S)WPD(S)WPC(S)+-FWC(S)+Ka）在FFC-FBC运行下整定开关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，施加相同的干扰作用量，由小而大逐渐改变Kff值，直至得到满意的补偿效果为止。 Kff对于控制过程的影响示于下图。35 b）利用反馈系统整定 K打开，系统处于反馈运行状态，待稳定后，记下干扰变送器的输出电流ID0和反馈控制器的输出稳定值IC0。然后对干
18、扰F施加一增量F，当反馈系统在F的作用下被控变量重新回到给定值时，记下干扰变送器的输出电流ID和反馈控制器的输出稳定值IC。则前馈控制器的静态放大系数为：物理意义：当干扰为D 时，即干扰量变送器产生ID的变化，由反馈控制器产生的校正作用应改变Ic 才能使被控变量回到给定值。使用这种整定法需要注意两点： 反馈控制器必须具有积分作用； 工况稳定，以免其它干扰的影响。4-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定36Kf=0（a）无前馈Kf适当（ c）补偿合适Kf太小（b）欠补偿，Kf过大（d）过补偿Kff对控制过程的影响4-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定37
19、4-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定2） T1.T2的整定l看曲线，调参数的经验法：当T1过小或T2过大时，产生欠补偿现像，未能有效发挥前馈 的补偿功能;如图(a)。当T1过大或T2过小时，产生过补偿现像,控制品质差；如图(b) 当T1.T2分别接近或等于对象控制通道和干扰通道时间常数时，此时补偿合适,控制品质最佳如图(c) 。(a)欠补偿(b)过补偿(c)补偿合适欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整38l特别说明： T1 、T2 属于动态参数的整定，比静态参数的整定复杂，无完整的工程整定方法和计算公式。 l看曲线，调参数，反复试凑 由于过补偿往往是前馈控制系统危险之源，它会破坏控制过程，甚至达到不能允许的地步。相反，欠补偿却是寻求合理的前馈动态参数的途径。因此动态参数的整定应从欠补偿开始，逐渐强化前馈作用，即增大T1 或减小T2，直至出现过补偿的趋势，再略减前馈作用，便可获满意的控制过程。 4-2-3 前馈控制系统的实施与整定前馈控制系统的实施与整定39
