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1、前馈控制系统Feedforward Control课堂提问课堂提问1n相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方案选择时应首选串级控制？n串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最多干扰的那个变量作为副变量？控制器的正反作用选择课堂提问课堂提问2n试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动；n试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的非线性。课堂提问课堂提问3课堂提问课堂提问41、如果加热蒸汽压力波动导致单回路控制效果不理想，怎么办？2、如果工艺介质流量波动导致控制效果不理想，怎么办？内 容n前馈控制的原理n线性前馈控制的设计n非线性前馈控制n前馈反馈控制系统换热器的反馈控制换热器的反
2、馈控制假设主要干扰为RF，T1单回路控制的仿真单回路控制的仿真采用串级控制？采用串级控制？n串级控制需要：n单回路控制不能满足要求；n可测量的副变量n副变量需要满足：n快速反应主要干扰的影响n干扰对副、主变量的影响具有因果关系n调节阀对副、主变量的影响具有因果关系NO!无法采用串级控制！无法采用串级控制！换热器的前馈控制方案换热器的前馈控制方案前馈控制的思想前馈控制的思想D1，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。原理分析原理分析根据不变性原理，当扰动F(s)变化时，对被控变量无影
3、响，即与扰动变化无关静态前馈和动态前馈静态前馈和动态前馈n前馈控制分为静态前馈和动态前馈两类n假设n前馈控制器传递函数举例：换热器的前馈控制举例：换热器的前馈控制稳态工作点稳态工作点：T1=20，RF=10 T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180。假设假设：T2温度测量变送的量程为100-300，RV和RF的量程分别为0 5 T/hr和0 25 T/hr。换热器的线性前馈控制换热器的线性前馈控制换热器的线性前馈控制（续）换热器的线性前馈控制（续）采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：线性前馈控制的仿真线性前馈控制的仿真有余差前馈加反馈控制前馈加反馈控制前馈反馈控制的仿真前
4、馈反馈控制的仿真非线性稳态前馈控制非线性稳态前馈控制稳态平衡关系：非线性系统的动态前馈补偿非线性系统的动态前馈补偿 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。非线性动态前馈控制器非线性动态前馈控制器动态前馈控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道特性的动态部分。）在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。在单纯的
5、反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。 复合控制系统具有以下优点：复合控制系统具有以下优点：系统引进前馈控制必须遵循的原则：系统引进前馈控制必须遵循的原则： 1 1）系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克系统存在频率高、幅值大、可测不可控的干扰，反馈控制难以克 服、控制要求高时；服、控制要求高时；2 2）控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；控制通道时常大于干扰通道时常，反馈控制不及时，控制质量差；3 3）主要干扰无法用串级控制使其包含于
6、副回路或副回路滞后过大时；主要干扰无法用串级控制使其包含于副回路或副回路滞后过大时；4 4）尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。尽可能采用静态补偿而不采用动态补偿。前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 前前 馈馈 控控 制制 反反 馈馈 控控 制制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型对时变与非线性对象的
7、适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案1前馈反馈控制方案前馈反馈控制方案2特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。讨讨 论论n引入前馈控制的可能应用场合：n常规反馈控制系统难以满足要求；n干扰可测。n应用前馈控制的前提条件：n主要干扰可测；n调节阀与被测干扰之间没有因果关系；n干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；n干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。本章作业：本章作业：1. 如图示加热炉，采用控制燃料气流量来保证加热炉出口温度恒定。1) 若进料量是主要扰动且不可控制时，设计合理的控制方案，并作简要说明。2) 当燃料气阀前压力是是主要扰
8、动且不可控时，设计合理的控制方案，并作简要说明。 2. 某前馈-串级控制系统如图所示。已知：求：（1）绘出该系统方框图。（2）计算前馈控制器的数学模型。3）假定控制阀为气开式，试确定各控制器的正/反作用。3. 判断系统类型判断系统类型4. 在如图所示的锅炉三冲量液位控制系统中，1）三冲量是指哪三个冲量？在图中画出控制系统流程图 2）画出其控制系统方框图；3）从保护锅炉的角度，选择阀门开关型式；4）在图中标明各环节传函的正负符号；5）确定调节器的正反作用；6）简述蒸汽负荷增大时和供水压力增加时系统分别如何进行调节。 5.分析系统分析系统课前题目：课前题目：(15分)如左下图所示为聚合釜温度控制系
9、统。试问： （1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方框图； （2）如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关型式； （3）确定主、副控制器的正、反作用； （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程； （5）如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，请在右下图画出它的原理图，并确定主、副控制器的正、反作用。练习题练习题下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。（1）工艺介质流量GF 与蒸汽阀前压力PV 均比较稳定；（2）介质流量GF 比较稳定，但压力PV 波动较大；（3）蒸汽压力PV 比较稳定，但介质流量GF 波动较大。
