前馈控制系统基本概念教学PPT

1、 反馈控制广泛应用于流程工业，具有通用性强、反馈控制广泛应用于流程工业，具有通用性强、 鲁棒性好、可克服所有干扰、无需建立对象模型等特鲁棒性好、可克服所有干扰、无需建立对象模型等特 点。点。 但是，反馈控制只有在被控变量产生偏差以后才但是，反馈控制只有在被控变量产生偏差以后才 能够产生校正作用，因此不能实现被控变量完全不受能够产生校正作用，因此不能实现被控变量完全不受 干扰影响的理想控制。干扰影响的理想控制。 反馈控制不能提供预测的功能，无法补偿已知的反馈控制不能提供预测的功能，无法补偿已知的 或可以测量的干扰的影响，而且当被控变量不能在线或可以测量的干扰的影响，而且当被控变量不能在线 测量时

2、，反馈控制时无法补偿。测量时，反馈控制时无法补偿。 对于那些采用反馈控制无法获得满意效果且干扰对于那些采用反馈控制无法获得满意效果且干扰 可在线测量的过程，加入前馈控制能够改善控制品质可在线测量的过程，加入前馈控制能够改善控制品质 。 d1(t), , dn(t) 表示表示 某些可测量、且对被某些可测量、且对被 控变量控变量cv影响显著影响显著 的干扰。的干扰。 前馈控制的基本原理：前馈控制的基本原理： 测量进入过程的干扰量，并根据干扰的测量值产测量进入过程的干扰量，并根据干扰的测量值产 生合适的控制作用来改变控制量，使被控制变量维持生合适的控制作用来改变控制量，使被控制变量维持 在设定值上。

3、在这些在设定值上。在这些可测干扰可测干扰影响影响cv以前，同时调以前，同时调 节操作变量节操作变量mv以抵消这些干扰的影响，最终使以抵消这些干扰的影响，最终使cv维维 持不变或基本不变。持不变或基本不变。 设计目标（系统对扰动设计目标（系统对扰动d(t)实现全补偿的条件）实现全补偿的条件） ( ) ( )( )( )( )0,( )=0 ( ) m ydycffdmm ys gsgs gs gsys d s 即 前馈控制器设计公式：前馈控制器设计公式： ( ) ( ) ( )( ) yd ff ycdm gs gs gs gs 设计目标：设计目标： 开环 ( ) ( )( )( )( )0,(

4、 )=0 ( ) m ydycffdmm ys gsgs gs gsys d s 即 满足该式的前馈补偿装置能使被控变量满足该式的前馈补偿装置能使被控变量y(t)不不 受扰动量受扰动量d(t)变化的影响。变化的影响。 不变性原理不变性原理是前馈控制的理论基础。是前馈控制的理论基础。“不变性不变性 ”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影 响。进入控制系统中的扰动会通过被控对象的内部响。进入控制系统中的扰动会通过被控对象的内部 关联，使被控变量发生偏离其设定值的变化。关联，使被控变量发生偏离其设定值的变化。不变不变 性原理是通过前馈控制器的校正作用，

5、消除扰动对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。被控变量的这种影响。 有以下几种类型的不变性：有以下几种类型的不变性： （1）绝对不变性）绝对不变性 指在扰动的作用下被控变指在扰动的作用下被控变 量在整个过程中始终保持不变；量在整个过程中始终保持不变； （2）误差不变性）误差不变性 指在扰动的作用下被控变量指在扰动的作用下被控变量 的波动小于一个很小值；的波动小于一个很小值； （3）稳态不变性）稳态不变性 系统在稳态工况下被控变系统在稳态工况下被控变 量与扰动无关；量与扰动无关； （4）选择不变性）选择不变性 被控变量往往受到若干个被控变量往往受到若干个 干扰的影响

6、，若系统对其中几个主要的干扰实现不干扰的影响，若系统对其中几个主要的干扰实现不 变性补偿，就称为选择不变性。变性补偿，就称为选择不变性。 前馈控制系统实际上是根据不变性原理对干扰前馈控制系统实际上是根据不变性原理对干扰 进行补偿的一种开环控制系统。进行补偿的一种开环控制系统。 二、前馈控制系统的特点二、前馈控制系统的特点 （1 1）前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时）前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时 前馈控制是针对干扰作用进行控制的。当干前馈控制是针对干扰作用进行控制的。当干 扰一出现，前馈控制器就根据检测到的干扰，按扰一出现，前馈控制器就根据检测到的干扰，按 一定规律进行控制。当干

7、扰发生后，被控变量还一定规律进行控制。当干扰发生后，被控变量还 未发生变化，前馈控制器就产生了未发生变化，前馈控制器就产生了控制作用把偏控制作用把偏 差差彻底消除。彻底消除。 前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较 前馈控制前馈控制反馈控制反馈控制 相关干扰可测量相关干扰可测量被控变量可测量被控变量可测量 基于干扰操作基于干扰操作 操作变量操作变量 基于被控变量控制基于被控变量控制误差误差操作操操作操 作变量作变量 开环，无稳定性问题开环，无稳定性问题闭环，稳定性至关重要闭环，稳定性至关重要 只有部分干扰可检测只有部分干扰可检测 全部干扰均全部干扰均通过被控变量可通过被控变量可感感

8、受受 控制通道与相关干扰通道的精确控制通道与相关干扰通道的精确 数学模型均需要获得数学模型均需要获得 不需要对象的数学模型不需要对象的数学模型 （2 2）前馈控制属于开环控制系统）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。前馈控制器根据干扰控制是一个开环控制系统。前馈控制器根据干扰 产生控制作用对被控变量进行影响，而被控变量产生控制作用对被控变量进行影响，而被控变量 并不会反过来影响前馈控制器的输入信号（扰动并不会反过来影响前馈控制器的输入信号（扰动 量）。因此，采用前馈控制时，对被控对象的了量）。因此，采用

9、前馈控制时，对被控对象的了 解必须比采用反馈控制时清楚得多。解必须比采用反馈控制时清楚得多。 （3 3）前馈控制采用的是由对象特性确定的）前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用专用” 控制器控制器 一般的反馈控制系统均采用通用的一般的反馈控制系统均采用通用的pidpid控制器控制器， 而前馈控制而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特器是专用控制器，对于不同的对象特 性，前馈控制器的形式是不同的。性，前馈控制器的形式是不同的。 可能引入前馈控制的场合可能引入前馈控制的场合 (1) 基本的被控变量不可测基本的被控变量不可测 (2) 基本的被控变量可测，但某些干扰太强以至于反馈控基本的被控变量可

10、测，但某些干扰太强以至于反馈控 制系统难以满足工艺要求制系统难以满足工艺要求 运用前馈控制的条件运用前馈控制的条件 (1) 主要干扰是可测的主要干扰是可测的 (2) 干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度 (3) 干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的，或者干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的，或者 是可抵消的是可抵消的 前馈控制器（假设测量变送环节的传递函数为前馈控制器（假设测量变送环节的传递函数为1）：）： 这种控制器考虑了两个通道的动态特性，是一这种控制器考虑了两个通道的动态特性，是一 种动态前馈控制器，追求的种动态前馈控制器，追求的目标是

11、被控变量的绝对不目标是被控变量的绝对不 变性变性。但在实际生产过程中，有时只需要在稳态下实。但在实际生产过程中，有时只需要在稳态下实 现对扰动的补偿。现对扰动的补偿。 ( ) ( ) ( ) yd ff yc gs gs gs ( ) ( ) ( ) yd ff yc gs gs gs 令式中的令式中的s为为0，得到静态前馈控制算式，得到静态前馈控制算式 kyd、kyc分别为干扰通道和控制通道的静态增益。分别为干扰通道和控制通道的静态增益。 (0)k (0)= (0)k ydyd ff ycyc g g g 静态前馈系统的结构简单，容易实现，可以保证静态前馈系统的结构简单，容易实现，可以保证

12、在稳态时消除扰动的影响，但在动态过程中偏差依然在稳态时消除扰动的影响，但在动态过程中偏差依然 存在。当在控制通道和干扰通道的动态特性差异很大存在。当在控制通道和干扰通道的动态特性差异很大 时，必须考虑动态前馈补偿。时，必须考虑动态前馈补偿。 单个扰动的动态前馈补偿原理如图单个扰动的动态前馈补偿原理如图 ( ) ( ) ( ) yd ff yc gs gs gs 动态前馈的作用是力求在任何时刻均实现动态前馈的作用是力求在任何时刻均实现 对干扰的补偿，通过合适的前馈控制规律的选对干扰的补偿，通过合适的前馈控制规律的选 择，使干扰经过前馈控制器到达被控变量这一择，使干扰经过前馈控制器到达被控变量这一

13、 通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完 全一致，并且它们的符号相反，从而达到控制全一致，并且它们的符号相反，从而达到控制 作用完全补偿干扰对被控变量的影响。作用完全补偿干扰对被控变量的影响。 比较：比较： 静态前馈是动态前馈的一种特殊情况，动静态前馈是动态前馈的一种特殊情况，动 态前馈可以看成静态前馈和动态补偿两部分，态前馈可以看成静态前馈和动态补偿两部分， 它们结合在一起，可以提高控制过程的动态品它们结合在一起，可以提高控制过程的动态品 质。质。 (0)k (0)= (0)k ydyd ff ycyc g g g ( ) ( ) ( ) yd ff

14、 yc gs gs gs 由于下列原因前馈控制会存在偏差：由于下列原因前馈控制会存在偏差： （1）实际的工业过程中存在多个扰动，若对每）实际的工业过程中存在多个扰动，若对每 个扰动都设置前馈通道，会增加控制系统投资个扰动都设置前馈通道，会增加控制系统投资 费用，一般只选择几个主要干扰加以前馈控制。费用，一般只选择几个主要干扰加以前馈控制。 （2）受前馈控制模型精度的限制。）受前馈控制模型精度的限制。 （3）构建的前馈控制器是近似的，当综合得到）构建的前馈控制器是近似的，当综合得到 的前馈控制算法中包含纯超前环节或纯微分环的前馈控制算法中包含纯超前环节或纯微分环 节时，它们在物理上是不能实现的，

15、一般将纯节时，它们在物理上是不能实现的，一般将纯 超前环节处理为静态环节，纯微分环节处理为超前环节处理为静态环节，纯微分环节处理为 超前滞后环节。超前滞后环节。 但是，但是，在前馈控制系统中，不存在被控变在前馈控制系统中，不存在被控变 量的反馈，对补偿的效果没有检验的手段。如量的反馈，对补偿的效果没有检验的手段。如 果控制的结果无法消除被控变量的偏差，系统果控制的结果无法消除被控变量的偏差，系统 将无法做进一步的校正。将无法做进一步的校正。 怎么办？怎么办？ 将前馈与反馈结合起来，构成前馈将前馈与反馈结合起来，构成前馈-反馈控反馈控 制系统，其原理图如图所示：制系统，其原理图如图所示： 前馈前

16、馈-反馈控制系统优点：反馈控制系统优点： （1）从前馈的控制角度，由于增加了反馈控制，）从前馈的控制角度，由于增加了反馈控制， 降低了对前馈控制模型精度的要求，并且对未降低了对前馈控制模型精度的要求，并且对未 选作前馈信号的干扰产生校正作用。选作前馈信号的干扰产生校正作用。 （2）从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，）从反馈控制角度，由于前馈控制的存在， 对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了反馈对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了反馈 控制的负担。控制的负担。 为了便于工业应用，使控制器的模式具有为了便于工业应用，使控制器的模式具有 一定的通用性，对于系统的设计、运行和维护一定的通用性，对于系

17、统的设计、运行和维护 都会带来方便。都会带来方便。 前馈控制器（假设测量变送环节的传递函数为前馈控制器（假设测量变送环节的传递函数为1）：）： ( ) ( ) ( ) yd ff yc gs gs gs 用一阶加纯滞后模型来近似：用一阶加纯滞后模型来近似： 则则 ( ) ( ) ( ) yd ff yc gs gs gs ( ) 1 yds yd yd yd k gse t s ( ) 1 ycsyc yc yc k gse t s 1 ( ) 1 ydyc s ydyc ff ycyd kt s gse kt s 分析：分析： 多数的工业对象可用一个带有纯滞后的多数的工业对象可用一个带有纯滞

18、后的“超前滞后超前滞后” 环节来实现补偿。当扰动通道的时滞小于控制通道的环节来实现补偿。当扰动通道的时滞小于控制通道的 时滞时，即时滞时，即 小于小于0， 超前环节，物超前环节，物 理上无法实现。只能令其为理上无法实现。只能令其为1。 ydyc ydyc s e s st st ksg ff yd yc ffff exp 1 1 )( yd ff yc k k k max 0, ffydyc 1 ( ) 1 ydyc s ydyc ff ycyd kt s gse kt s 一、静态前馈一、静态前馈 二、动态前馈二、动态前馈 三、前馈反馈控制三、前馈反馈控制 四、前馈控制的实施四、前馈控制的实

19、施 溶液配制问题溶液配制问题问题：假设氢氧化钠问题：假设氢氧化钠naoh用量用量qb 和和稀释水量稀释水量qa可测并且可测并且qa可调。可调。 如果如果qb变化变化，如何，如何调整以使稀释调整以使稀释 液液naoh的浓度为的浓度为68%左右左右？ 解决方案一：解决方案一： 通过测量混合液的浓度，并采用单通过测量混合液的浓度，并采用单 回路反馈控制来满足上述要求（设出口回路反馈控制来满足上述要求（设出口 浓度为被控变量，入口处的浓度为被控变量，入口处的稀释水稀释水流量流量 qa为操纵变量）。为操纵变量）。 但是，浓度信号的获取较为困难，但是，浓度信号的获取较为困难， 并且测量环节有滞后，会影响控

20、制品质。并且测量环节有滞后，会影响控制品质。 溶液配制问题溶液配制问题问题：假设氢氧化钠问题：假设氢氧化钠naoh用量用量qb 和和稀释水量稀释水量qa可测并且可测并且qa可调。可调。 如果如果qb变化变化，如何，如何调整以使稀释调整以使稀释 液液naoh的浓度为的浓度为68%左右左右？ 解决方案二：解决方案二： 不直接控制不直接控制混合液浓度，而是混合液浓度，而是采用采用 输入流量比值控制来间接达到输入流量比值控制来间接达到上述要求上述要求 （即前馈控制方案，根据前馈控制的不（即前馈控制方案，根据前馈控制的不 变性原理，若某一输入物料流量变化时，变性原理，若某一输入物料流量变化时， 另一物料

21、也能按比例跟随变化，则可以另一物料也能按比例跟随变化，则可以 达到对出口浓度的完全补偿。）达到对出口浓度的完全补偿。） 要求：要求：qa / qb = kab（比值系数）而（比值系数）而qb 为主动流为主动流 量，量， qa 为可控量，要求设计一控制系统通过调节为可控量，要求设计一控制系统通过调节 qa 以实现上述比值控制目标。以实现上述比值控制目标。 后 续 装 置 物料 b 物料 a qb qa 在现在工业生产过程中，需要将两种或两种以在现在工业生产过程中，需要将两种或两种以 上的物料按一定比例混合或进行化学反应。一旦比上的物料按一定比例混合或进行化学反应。一旦比 例失调，会造成产品质量不

22、合格，甚至造成生产事例失调，会造成产品质量不合格，甚至造成生产事 故。比如稀硝酸生产中的氧化炉，氨和空气应保持故。比如稀硝酸生产中的氧化炉，氨和空气应保持 一定的比例，否则将使反应不能正常进行，而比例一定的比例，否则将使反应不能正常进行，而比例 超过一定极限将引起爆炸。超过一定极限将引起爆炸。 比值控制的目的，就是为了使几种物料混合后比值控制的目的，就是为了使几种物料混合后 符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。 比值控制系统：比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合实现两个或两个以上参数符合 一定比例关系的控制系统。一定比例关系的控制系统。 流量比值

23、控制系统：保持两种或两种以上物料流量比值控制系统：保持两种或两种以上物料 的流量为一定比例关系的系统。的流量为一定比例关系的系统。 主物料：在需要保持比值关系的两种物料中，主物料：在需要保持比值关系的两种物料中， 必有一种物料处于主导地位，称为主物料，表征这必有一种物料处于主导地位，称为主物料，表征这 种物料的参数称为主动量，用种物料的参数称为主动量，用q1表示。另一种物表示。另一种物 料按主物料进行配比，称为从物料，表征这种物料料按主物料进行配比，称为从物料，表征这种物料 的参数称为从动量，用的参数称为从动量，用q2表示。表示。 在实际生产过程中，将生产中主要物料定义为在实际生产过程中，将生

24、产中主要物料定义为 主物料。有时，将不可控物料作为主物料，用改变主物料。有时，将不可控物料作为主物料，用改变 可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。 比值控制就是要实现副流量比值控制就是要实现副流量q2与主流量与主流量q1成成 一定的比值关系一定的比值关系 2 1 q k q 控制问题：控制问题： 通过操作流体通过操作流体a的流量的流量 qa以维持两流量的比以维持两流量的比 值不变，即值不变，即 qa / qb = kab, 即使流体即使流体b的流量的流量 qb变化。变化。 流体流体b可被称为主动流可被称为主动流 体，而流体体，而流体a可称为被可称

25、为被 动流体。动流体。 单闭环比值控制单闭环比值控制 双闭环比值控制双闭环比值控制 ia ib k f2c f1c qb qa 单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统双闭环比值控制系统 单闭环比值控制单闭环比值控制 系统包含一个闭合回路。对副流量引入一个系统包含一个闭合回路。对副流量引入一个 反馈回路，当主流量反馈回路，当主流量q1变化时，其流量信号经变化时，其流量信号经 测量变送器送到比值器中。比值器按预先设置好测量变送器送到比值器中。比值器按预先设置好 的比值系数使输出成比例变化，并作为副流量控的比值系数使输出成比例变化，并作为副流量控 制器的设定值。实际上，副流量控制是

26、一个随动制器的设定值。实际上，副流量控制是一个随动 系统，系统，q2经反馈控制自动跟随经反馈控制自动跟随q1变化，保持两变化，保持两 流量比值不变。流量比值不变。 单闭环比值控制，两物料放入流量比值可以单闭环比值控制，两物料放入流量比值可以 保持一定，但是由于主流量保持一定，但是由于主流量q1是可变的，所以是可变的，所以 进入的总流量是不固定的。进入的总流量是不固定的。 如何克服？如何克服？ 双闭环比值控制双闭环比值控制 既能实现两个流量的比值恒定，又能使进既能实现两个流量的比值恒定，又能使进 入系统的总负荷平稳。入系统的总负荷平稳。 主流量也构成了闭合回路，由于有两个流量主流量也构成了闭合回

27、路，由于有两个流量 闭合回路，可以克服各自的外界干扰，使主、副闭合回路，可以克服各自的外界干扰，使主、副 流量都比较平稳，系统的总负荷也将是平稳的。流量都比较平稳，系统的总负荷也将是平稳的。 采用比值控制是为了保证流量之间的一定比例，采用比值控制是为了保证流量之间的一定比例， 其目的是保证产品质量。定比值控制的各种方案只其目的是保证产品质量。定比值控制的各种方案只 考虑如何来实现比值关系，没有考虑成比例的两种考虑如何来实现比值关系，没有考虑成比例的两种 物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求。因物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求。因 此，此，从最终质量来看这种定比值控制系统是开环的从最

28、终质量来看这种定比值控制系统是开环的。 但系统中存在着除流量干扰外的其它干扰（如但系统中存在着除流量干扰外的其它干扰（如 温度、压力等的干扰）时，原来设定的比值器就不温度、压力等的干扰）时，原来设定的比值器就不 能保证产品的最终质量，需要重新设置。能保证产品的最终质量，需要重新设置。 但是，干扰是随机的，干扰的幅度是不相同的，但是，干扰是随机的，干扰的幅度是不相同的， 无法用人工的方法修正比值系数。无法用人工的方法修正比值系数。怎么办？怎么办？ 变比值控制系统：按照某一工艺指标自动修正变比值控制系统：按照某一工艺指标自动修正 流量比值的变化比。流量比值的变化比。 在稳定状态下，主、副流量在稳定

29、状态下，主、副流量q1和和q2恒定，它恒定，它 们分别经测量变送器送除法器相除，即得到它们的们分别经测量变送器送除法器相除，即得到它们的 比值，再送往比值控制器。如果表征最终质量指标比值，再送往比值控制器。如果表征最终质量指标 的主参数的主参数y也恒定，主控制器输出信号稳定。也恒定，主控制器输出信号稳定。比值比值 控制器输出稳定，控制阀开度一定，产品质量合格。控制器输出稳定，控制阀开度一定，产品质量合格。 当系统中出现除流量干扰外的其它扰动引起主当系统中出现除流量干扰外的其它扰动引起主 参数参数y变化，通过主反馈回路使主控制器输出变化，变化，通过主反馈回路使主控制器输出变化， 修改两流量的比值

30、设定值，以保持主参数稳定。修改两流量的比值设定值，以保持主参数稳定。 对于进入系统的主流量对于进入系统的主流量q1干扰，由于比值控干扰，由于比值控 制回路的快速随动跟踪，使副流量制回路的快速随动跟踪，使副流量q2=kq1相应变相应变 化，以保持主参数化，以保持主参数y稳定，它起了静态前馈的作用。稳定，它起了静态前馈的作用。 对于副流量本身的干扰，通过自身的控制回路对于副流量本身的干扰，通过自身的控制回路 克服。克服。 相乘方案：相乘方案： 依据依据q2=kq1可以对可以对q1的测量值乘以比值的测量值乘以比值k， 作为作为q2流量控制器的设定值。流量控制器的设定值。 相除方案：相除方案： 依据依据q2/q1=k可以将可以将q2与与q1的测量值相除，的测量值相除， 作为比值控制器的测量值。作为比值控制器的测量值。 （1）主、从动量的确定）主、从动量的确定 设计比值控制系统时，首先要确定主、从动量：设计比值控制系统时，首先要确定主、从动量： 在生产过程中起主导作用、可测而不可控、较昂贵在生产过程中起主导作用、可测而不可控、较昂贵 的物料流量一般为主动量。以主动量为准进行配比的物料流量一般为主动量。以主动量为准进行配比 的物料流量为从动量。的物料流量为从动量。 （2）控制方案的选择）控制方案的