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1、过程控制系统及工程第第5 5章章 前馈控制系统前馈控制系统 前馈控制系统前馈控制系统5.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点5.2前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式5.3前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施5.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用5.5前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定5.6多变量前馈控制多变量前馈控制第第5章章5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点用加热载体的流量控制被加热流体的温度用加热载体的流量控制被加热流体的温度-滞后控制滞后控制 前馈控制前馈控制-按干扰进行控制的开环控制方式按干扰进行控制的开环控制方式(a)反馈控制方案反
2、馈控制方案 FBC例子：例子：换热器温度控制换热器温度控制TCFFs1按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响-超前控制超前控制换热器进料量为出口温度的主要干扰量，可通过流量测量，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。量变化对出口温度的影响。（b）前馈控制方案）前馈控制方案FFC5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点GffFFs15.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点1tF前馈控制系统的补偿过程前馈控制
3、系统的补偿过程5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点（1）按干扰作用的大小进行控制按干扰作用的大小进行控制提前，控制及时提前，控制及时控制的依据控制的依据检测的信号检测的信号控制作用的控制作用的发生时间发生时间反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制被控变量的偏差被控变量的偏差干扰量的大小干扰量的大小被控变量被控变量干扰量干扰量偏差出现后偏差出现后偏差出现前偏差出现前5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点（2）前馈控制属于开环控制前馈控制属于开环控制GPD(s)GPC(s)Gff(s)1F图图5-3系统方块图系统方块图开环控制，控制效果不能通过反馈验证，
4、因此对控制器设计开环控制，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的要求比较严格对象对象 不象反馈控制通用不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不算法，前馈控制算法依对象不同而不同。前馈控制器设计依据同而不同。前馈控制器设计依据“扰动补偿理论扰动补偿理论”5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点（3）是一种根据对象特性设计的是一种根据对象特性设计的“专用专用”控制器控制器GPD(s)GPC(s)Gff(s)1F5.15.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点（4 4） 一种前馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰一种前
5、馈作用只能克服一种干扰一种前馈作用只能克服一种干扰缺点缺点前馈控制系统前馈控制系统5.15.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点5.25.2前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式5.35.3前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施5.45.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用5.55.5前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定5.65.6多变量前馈控制多变量前
6、馈控制多变量前馈控制多变量前馈控制 第第5章章5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1动态前馈控制动态前馈控制力求在任何时刻实现对干扰的补偿力求在任何时刻实现对干扰的补偿静态前馈控制静态前馈控制实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）前馈控制器的输出只与输入量有关，与时间无关前馈控制器的输出只与输入量有关，与时间无关单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1图图5-4锅炉汽包三冲量控制锅炉汽包三冲量控制 FCLC蒸汽量蒸汽量D液位液位L流量流量F静态前馈控制系统静态
7、前馈控制系统例子例子1：给水给水蒸汽蒸汽单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1对于较为简单的对象，可以写出静态方程式对于较为简单的对象，可以写出静态方程式 GffFFs12例子例子2：Cp-比热比热 hs-蒸汽的蒸汽的汽化潜热汽化潜热 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1图图5-5换热器的静态前馈控制流程原理图换热器的静态前馈控制流程原理图FC1iF2Cp/hs开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1有时，为了提高动态品质，可在静态前馈基础上有时，为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动
8、态环节适当加入动态环节GffD.FS.FK1i2FCp/hs单纯前馈控制要注意系统稳定性问题：单纯前馈控制要注意系统稳定性问题：开环通道稳定，开环通道稳定，FFC稳定；稳定；前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统5.2.2 反反馈馈、前前馈馈取取长长补补短短，形形成成前前馈馈反反馈馈控控制制方方案案（FFCFBC）对主要干扰进行前馈控制对主要干扰进行前馈控制校正及时校正及时对其它干扰进行反馈控制对其它干扰进行反馈控制反馈校正，多干扰控制反馈校正，多干扰控制单纯前馈控制的局限性：单纯前馈控制的局限性：（1）不能根据偏差进行控制效果检验（不能反馈）不能根据偏差进行控制效果检验（不能反馈）而不断纠正偏差
9、而不断纠正偏差（2）受模型精度影响）受模型精度影响GPD(s)、GPC(s)（3）一个前馈控制只能处理一个扰动）一个前馈控制只能处理一个扰动前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统5.2.2图图5-7 5-7 换热器换热器FFC-FBCFFC-FBC系统系统+GffTCFSF1FFC按负荷按负荷F的变化校正蒸汽量的变化校正蒸汽量FsFBC根据温度偏差，对蒸汽量根据温度偏差，对蒸汽量Fs进行进一步校正。进行进一步校正。FFC与与FBC作用叠加，又称复合控制系统。作用叠加，又称复合控制系统。前馈前馈前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统5.2.25.2.2图58典型FFCFBC系
10、统方块图GPD(s)GC(s)GPC(s)Gff(s)1i1F前馈前馈前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统5.2.25.2.2GPD(s)十Gff(s)GPC(s)0应用不变性原理：应用不变性原理：F(s)0，1(s)0代入上式中，即可推导出前馈控制器的传递函数：代入上式中，即可推导出前馈控制器的传递函数：FFCFBC系统实现完全补偿的条件是相同的系统实现完全补偿的条件是相同的（3 3）有模型变化的适应能力）有模型变化的适应能力）有模型变化的适应能力）有模型变化的适应能力 前馈前馈前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统反馈控制系统5.2.25.2.2FFC
11、-FBCFFC-FBC优点：优点：（1 1）FFCFFC只需对主要干扰进行前馈补偿，其余只需对主要干扰进行前馈补偿，其余只需对主要干扰进行前馈补偿，其余只需对主要干扰进行前馈补偿，其余干扰由干扰由干扰由干扰由FBCFBC完成完成完成完成（2 2）由于）由于）由于）由于FBCFBC的偏差校正，对的偏差校正，对的偏差校正，对的偏差校正，对FFCFFC的模型精度的模型精度的模型精度的模型精度要求降低要求降低要求降低要求降低 前馈前馈前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统5.2.35.2.3 同样对于上述换热器同样对于上述换热器同样对于上述换热器同样对于上述换热器FFC-FBC
12、FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定，系统，如果蒸汽流量不稳定，系统，如果蒸汽流量不稳定，系统，如果蒸汽流量不稳定，无论无论无论无论FFCFFC或或或或FBCFBC的效果都不能正常发挥的效果都不能正常发挥的效果都不能正常发挥的效果都不能正常发挥解决办法：串级控制解决办法：串级控制解决办法：串级控制解决办法：串级控制Gff+TCFCFSF图图5-9换热器的前馈换热器的前馈-串级控制系统串级控制系统前馈前馈前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统5.2.35.2.3GPD(s)Gff(s)GC(s)GPC(s)GC2(s)GP2(s)F1i1前馈控制系统前馈控制系统5.15
13、.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点5.25.2前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式5.35.3前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施5.45.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用5.55.5前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定5.65.6多变量前馈控制多变量前馈控制多变量前馈控制多变量前馈控制 第第5章章5.35.3前馈控制系统的实施前馈控制系统的
14、实施前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施工业应用希望控制规律能具有一定的通用性，工业应用希望控制规律能具有一定的通用性，工业应用希望控制规律能具有一定的通用性，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）便于控制实施（特别是仪表）便于控制实施（特别是仪表）便于控制实施（特别是仪表） 前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的传递函数传递函数传递函数传递函数工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多，工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多，工业对
15、象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多，工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多，不利于实施不利于实施不利于实施不利于实施5.35.3前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似, ,如：如：如：如：-K+K+-+输入输出5.35.3前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施KfK1/(T2s+1)输入输入+K=T1/T2-1输出输出图5-12（T
16、1s+1）/（T2s+1）实施框图=T1/T21l（输出）（输出）mfT1T2超前特性T1T2滞后特性T1=T2比例特性扰动变量的选择：扰动变量的选择：前馈控制是按扰动控制的，因此，扰动必须可测前馈控制是按扰动控制的，因此，扰动必须可测如果扰动易控，可直接采用反馈控制系统来控制；如果扰动易控，可直接采用反馈控制系统来控制；前馈控制针对单一扰动控制，因此，扰动应是主要扰动。前馈控制针对单一扰动控制，因此，扰动应是主要扰动。为克服其他扰动，通常采用前馈为克服其他扰动，通常采用前馈-反馈控制系统。反馈控制系统。主要扰动无法落在串级控制的副环时，用前馈主要扰动无法落在串级控制的副环时，用前馈-反馈，可
17、反馈，可得到更好的控制效果。得到更好的控制效果。前馈控制系统前馈控制系统5.15.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点5.25.2前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式5.35.3前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施5.45.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用5.55.5前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定5.65.6多变量前馈控制多变量前馈控制多变
18、量前馈控制多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验第第5章章5.45.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用（1 1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干扰进行前馈控制扰进行前馈控制扰进行前馈控制扰进行前馈控制 （2 2）系统中存在可测、不可控的显著干扰）系统中存在可测、不可控的显著干扰）系统中存在可测、不可控的显著干扰）系统中存在可测、不可控的显著干扰 （3
19、 3）工艺要求实现变量间特殊关系的控制）工艺要求实现变量间特殊关系的控制）工艺要求实现变量间特殊关系的控制）工艺要求实现变量间特殊关系的控制 （4 4）经济性原则）经济性原则）经济性原则）经济性原则什么情况下采用前馈控制：什么情况下采用前馈控制：什么情况下采用前馈控制：什么情况下采用前馈控制：T2CT1CGff+TC燃油燃油原料油原料油(a)串级控制系统(b)前馈反馈控制系统图514加热炉的两种控制系统前馈前馈前馈前馈- -反馈与串级控制系统的区别：反馈与串级控制系统的区别：反馈与串级控制系统的区别：反馈与串级控制系统的区别：5.45.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前
20、馈控制系统的应用图5l5设计错误的串级控制系统TCFCFTCFC原料油燃油前馈控制系统前馈控制系统5.15.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点5.25.2前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式5.35.3前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施5.45.4前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用5.55.5前馈控制系统的投运和参数整定前馈控制系统的投运和参数整定前馈控制系统的投运和参数整定前馈控制系统的投运和参
21、数整定5.65.6多变量前馈控制多变量前馈控制多变量前馈控制多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验第第5章章5.55.5前馈控制系统的投运和参数整定前馈控制系统的投运和参数整定前馈控制系统的投运和参数整定前馈控制系统的投运和参数整定K Kf f T T1 1 T T2 2 的整定的整定GPCGCGffGPDD(s)12XYKKf f的整定的整定的整定的整定5.5.15.5.15.55.5前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定方法方法方法方法2 2：闭环整定法：闭环整定法：闭环整定
22、法：闭环整定法：2 2开开开开1 1闭闭闭闭 方法方法方法方法1 1：开环整定法：开环整定法：开环整定法：开环整定法： 断开反馈通道，单纯前馈控制，施加干扰，断开反馈通道，单纯前馈控制，施加干扰，断开反馈通道，单纯前馈控制，施加干扰，断开反馈通道，单纯前馈控制，施加干扰， 改变改变改变改变KfKf，直到控制变量回到给定值，直到控制变量回到给定值，直到控制变量回到给定值，直到控制变量回到给定值条件：反馈控制器必须有积分作用条件：反馈控制器必须有积分作用条件：反馈控制器必须有积分作用条件：反馈控制器必须有积分作用开关开关开关开关1 1、2 2都闭合，做两次实验都闭合，做两次实验都闭合，做两次实验都
23、闭合，做两次实验KKf f的整定的整定的整定的整定5.5.15.5.1方法方法方法方法3 3：前馈：前馈：前馈：前馈反馈系统下反馈系统下反馈系统下反馈系统下（2 2）在反馈整定好的基础上，施加相同的干扰量，）在反馈整定好的基础上，施加相同的干扰量，）在反馈整定好的基础上，施加相同的干扰量，）在反馈整定好的基础上，施加相同的干扰量，由小到大改变由小到大改变由小到大改变由小到大改变KfKf，直到满意。，直到满意。，直到满意。，直到满意。（1 1）先开）先开）先开）先开2 2，纯反馈。，纯反馈。，纯反馈。，纯反馈。欠补偿欠补偿欠补偿欠补偿补偿合适补偿合适补偿合适补偿合适过补偿过补偿过补偿过补偿T1T
24、1、T2T2的整定的整定的整定的整定5.5.25.5.2T1T2T1T2属于动态参数的整定，比静态参数的整定属于动态参数的整定，比静态参数的整定属于动态参数的整定，比静态参数的整定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。复杂，无完整的工程整定方法和计算公式。复杂，无完整的工程整定方法和计算公式。复杂，无完整的工程整定方法和计算公式。 看曲线，调参数，反复试凑看曲线，调参数，反复试凑看曲线，调参数，反复试凑看曲线，调参数，反复试凑T1T1T2T1T2（输出）（输出）mfT1T1、T2T2的整定的整定的整定的整定5.5.25.5.2 T1 T1 T1 T1 过过过
25、过小小小小或或或或T2 T2 T2 T2 过过过过大大大大，欠欠欠欠补补补补偿偿偿偿，未未未未能能能能有有有有效效效效发发发发挥挥挥挥前前前前馈馈馈馈的的的的补补补补偿偿偿偿功功功功能能能能，图图图图（B B B B）。）。）。）。 T1 T1 T1 T1 过大或过大或过大或过大或T2 T2 T2 T2 过小，过补偿，控制品质差，图（过小，过补偿，控制品质差，图（过小，过补偿，控制品质差，图（过小，过补偿，控制品质差，图（D D D D） T1 T1 T1 T1 和和和和T2 T2 T2 T2 接接接接近近近近对对对对象象象象控控控控制制制制通通通通道道道道和和和和干干干干扰扰扰扰通通通通道道
26、道道时时时时间间间间常常常常数数数数时时时时，控控控控制制制制品品品品质质质质最最最最佳，图（佳，图（佳，图（佳，图（C C C C）。）。）。）。 欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整 C CD DB BA A定性分析：定性分析：定性分析：定性分析：另外一种方法：另外一种方法：（1 1）确定）确定）确定）确定T1T1和和和和T2T2哪个大哪个大哪个大哪个大 在在在在静静静静态态态态整整整整定定定定后后后后，使使使使系系系系统统统统
27、分分分分别别别别在在在在反反反反馈馈馈馈状状状状态态态态和和和和前前前前馈馈馈馈反反反反馈馈馈馈状态下运行，施加前馈扰动，通过控制过程曲线判断，状态下运行，施加前馈扰动，通过控制过程曲线判断，状态下运行，施加前馈扰动，通过控制过程曲线判断，状态下运行，施加前馈扰动，通过控制过程曲线判断， T1T1、T2T2的整定的整定的整定的整定5.5.25.5.2ytabcAA反馈曲线，反馈曲线，反馈曲线，反馈曲线，BB干扰通道干扰通道干扰通道干扰通道T2 T2 T2 控制通道控制通道控制通道控制通道T1T1T1T1、T2T2的整定的整定的整定的整定5.5.25.5.2（2 2）若）若）若）若T1T2T1T
28、2，取，取，取，取T1T1在在在在2T22T2附近，若附近，若附近，若附近，若T1T2T1T2，取，取，取，取T1T1在在在在0.5T20.5T2附近，作为初值附近，作为初值附近，作为初值附近，作为初值 （3 3）单纯前馈作用，施加阶跃干扰，观察曲线）单纯前馈作用，施加阶跃干扰，观察曲线）单纯前馈作用，施加阶跃干扰，观察曲线）单纯前馈作用，施加阶跃干扰，观察曲线图5-20前馈控制器动态参数的整定曲线多输入多输入多输入多输入单输出、多输入单输出、多输入单输出、多输入单输出、多输入多输出多输出多输出多输出当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度较大且频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈较大且频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈较大且频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈较大且频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈控制系统。控制系统。控制系统。控制系统。机理建立前馈控制模型机理建立前馈控制模型适用于简单的工艺对象适用于简单的工艺对象适用于简单的工艺对象适用于简单的工艺对象换热器换热器换热器换热器 P104P104图图图图5-215-21线性叠加方法线性叠加方法 MIMO系统系统 5.65.6多变量前馈控制系统多变量前馈控制系统多变量前馈控制系统多变量前馈控制系统
