过程控制-第4章-前馈控制系统PPT课件

1、2021/6/71 2021/6/72 2021/6/73 2021/6/74 干扰 设定 测量变送 反馈控制器 执行器 被控变量 对象 偏差 2021/6/75 干扰 设定 测量变送 反馈控制器 执行器 被控变量 对象 偏差 2021/6/76 2021/6/77 对象 干扰 前馈调节器 执行器 被控变量 测量变送器 干扰通道 2021/6/78 对象 干扰 前馈控制器执行器 被控变量 测量变送器 干扰通道 2021/6/79 对象 干扰 前馈控制器执行器 被控变量 测量变送器 干扰通道 2021/6/710 干扰 设定 测量变送 反馈控制器 执行器 被控变量 对象 偏差 对象 干扰 前馈控

2、制器执行器 被控变量 测量变送器 干扰通道 2021/6/711 2021/6/712 2021/6/713 )0( )0( )0( PC PD ff G G G 2021/6/714 ssip HGQC)( 0 )( 0i s p S H C QG )( 10I S P s H C QG 2021/6/715 换热器的静态前馈控制 2021/6/716 2021/6/717 2021/6/718 反馈控制的优点：反馈控制的优点： 任何扰动对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。 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

3、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 2021/6/719 前馈与反馈相结合，构成 前馈反馈控制系统 （FFC-FBC） 当N变化时，前馈控制器改变加热蒸气Fs以补 偿N对被控变量Y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Y尽 快回到给定值。 Gff 对 象 Mff Y Y2 FS TC Sp 2021/6/720 前馈控制克服反馈控制不易克服的主要干扰，而对其它 干扰则进行反馈控制。 前馈-反馈控制方框图 Wff(S)Wf(S) Wo(S) + - Y

4、1 Sp N Y + Y2 TC(S) Wff 对 象 Mff FS TC Sp N Y 2021/6/721 )()(1 )()( )()(1 )( )( )( SWSTC SWSW SWSTC SW SN SY o off o f 干扰N对被控变量Y的闭环传递函数为： Wff(S)Wf(S) Wo(S) + - Y1 Sp N Y + Y2 TC(S) 2021/6/722 0)(,0)(SYSN )( )( )( 0)()()( SW SW SW SWSWSW o f ff offf 应用绝对不变性条件： 可推导出前馈控制器的传递函数： 可见: FFC-FBC系统实现完全补偿的条件与 F

5、FC相同。 )()(1 )()( )()(1 )( )( )( SWSTC SWSW SWSTC SW SN SY o off o f 2021/6/723 2021/6/724 Wff 对 象 Mff Y FS TCSp 2021/6/725 Sp Wff N Mff Y1 Y2 TC FC FS 前馈-串级控制方框图 Wff(S)Wf(S) Wo1(S) + - Sp N Y TC(S) + Wo2(S) FC(S) - 利用串级控制副回路的特性，降低对执行器要求： 2021/6/726 )()()(1 )()()()( )( )( 1 2 1 2 SWSWSTC SWSWSWSW SN

6、SY oo oofff 式中，Go2为副回路等效对象的传递函数： )()(1 )()( )( 2 2 2 SWSFC SWSFC SW o o o Wff(S)Wf(S) Wo1(S) + - Sp N Y TC(S) + Wo2(S) FC(S) - 2021/6/727 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： 1)( 2 SWo 0)(, 0)(SYSN 应用不变性条件： 可推导出前馈控制器的传递函数： )( )( )()( )( )( 11 2 SW SW SWSW SW SW o f oo f ff 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

7、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。 2021/6/728 0)(0)(:tYtN时，当即 被控过程 及仪表 Y(t) N(t) 2021/6/729 2021/6/730 前馈控制 Wff(S) Wf(S) Wo(S) + + Y1(s) Y2(s) N(s) Y(s) 前馈控制方框图 Wff N F Y(s)Y1(s) Y2(s) 2021/6/731 前馈控制 Wff(S) Wf(S) Wo(S) + + Y1(s) Y2(s) N(s) Y(s) 前馈控制方框图 N N y y2(t) y1(t) t t 前馈控制系统补偿过程 Wff N F Y(s)Y

8、1(s) Y2(s) y1(t)+ y2(t)=0 0)(0)(:tYtN时，当即 2021/6/732 y y1 1(t)(t) y y2 2(t)(t) 系统输出系统输出y(t) 静态偏差 为0 动态偏差 不为0 2021/6/733 y y1 1(t)(t) y y2 2(t)(t) 系统输出y(t)y(t) 2021/6/734 )()( )( )( 包含执行器：控制通道传函 含测量环节）：前馈控制器传函（包 ：扰动通道传函 SW SW SW o ff f Wff N F Y(s) Y1(s) Y2(s) 对 象 Wff(S) Wf(S) Wo(S) + + Y1(s) Y2(s) N

9、(s) Y(s) V(S)Wo(S) V(S) 2021/6/735 )()()( )( )( )()()()()()( SWSWSW SN SY SNSWSWSNSWSY offf offf 0)()()(: 0)(, 0)( SWSWSW SYSN offf 即 Wff(S) Wf(S) Wo(S) + + Y1(s) Y2(s) N(s) Y(s) 2021/6/736 )(/ )()(SWSWSW offf )()( )( ()( 包含执行器：控制通道传函 ：扰动通道传函 包含测量环节）：前馈控制器传函 SW SW SW o f ff 2021/6/737 )(/ )()(SWSWSW

10、 offf 的增益是 的增益是 其中 )( )( : /)( SWK SWK KKKSW oo ff ffofff 扰动扰动N 扰动输出扰动输出 调节输出调节输出 系统输出系统输出 2021/6/738 Wff(s) Wo(s) Wf(s) N 扰动扰动N 动态前馈要动态前馈要 补偿的面积补偿的面积 动态过程产生动态过程产生 的偏差的偏差 扰动输出扰动输出 前馈补偿前馈补偿 系统输出系统输出 动态前馈 Wff(s)满足绝对 不变性： 静态前馈控制静态前馈控制 )(/ )()(SWSWSW offf 2021/6/739 )(/ )()(SWSWSW offf 动态前馈控制器： s f o o

11、f ff s o o o s f f f of o f e sT sT K K SW e sT K SW e sT K SW )( 1 1 )(: 1 )( 1 )( 则 2021/6/740 动态前馈控制器动态前馈控制器: 讨 论： （1）T To o= T= Tf f，则，则 若若,动态前馈为纯迟延,可实现； 若若,动态前馈为纯提前,不可实现。 扰扰 动动 N 由此可得：在选择控制通道时应选由此可得：在选择控制通道时应选 择择纯迟延短纯迟延短的通道。的通道。 Wff(s) Wo(s) Wf(s) N s f o o f ff of e sT sT K K SW )( 1 1 )( s o

12、f ff of e K K SW )( )( of of 控控 制制 控控 制制 f o o 2021/6/741 （2） f = o ，则，则 若若T To o= T= Tf f , 若若T To oTTf f , 若若T To oTTf f , 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 扰扰 动动 N 一般对象的纯迟延并不明显，因此动一般对象的纯迟延并不明显，因此动 态前馈常采用态前馈常采用: sT sT K K SW f o o f ff 1 1 )( o f ff K K SW)( )(SW ff )(SW ff Wff(s) Wo(s) Wf(

13、s) N sT sT KSW ffff 2 1 1 1 )( 超前超前 滞后滞后 2021/6/742 2021/6/743 Wff N F Mff Y )( )( )( SW SW SW o f ff 2021/6/744 N N Y Y2 Y1 t t )( )( )( SW SW SW o f ff Gff(S) Gf(S) Go(S) + + Y1 Y2 NY 前馈控制方框图 2021/6/745 2021/6/746 Wff N FS Mff Y Y2 0)( 2 SSp hFYYcN Cp物料的比热容 hs蒸汽的汽化潜热 )( 2 YY h c NF S p S 2021/6/74

14、7 S p ff S p S h c W XYX h c NF 设定温度),( 2 由上式可求得，静态前馈控制方程式为： 静态前馈控制原理图 N FS Mff Y Y2 Cp/hS X - FC 2021/6/748 2021/6/749 T1CT2C 燃料 原油 T1C 燃料 原油 Wff 2021/6/750 TC 燃料 原油 FC 上图所示的系统方框图 FTWf(S) Wo(S) + - F TC - FC 2021/6/751 sT sT KSW ffff 2 1 1 1 )( 2021/6/752 Wff(S)Wf(S) Wo(S) + - N TC(S) +K 2021/6/753

15、 Wff(S)Wf(S) Wo(S) + - N TC(S) + K 在FFC-FBC运行下整定 方法1： 开关K打开，在只有反馈时，整定反馈控 制器的参数； 2021/6/754 Kff=0 无前馈 Kff适当 补偿合适 Kff太小 欠补偿Kff过大 过补偿 2021/6/755 Wff(S)Wf(S) Wo(S) + - N TC(S) + K 2021/6/756 01 01 NN uu K ff Kff(S)Wf(S) Wo(S) + - N TC(S) + K 2021/6/757 (a)欠补偿(b)过补偿(c)补偿合适 动态前馈补偿器T T1 1和和T T2 2的整定的整定 sT sT KSW ffff 2 1 1 1 )( 2021/6/758 补偿合适：T1=To，T2=Tf，为完全动态补偿； T1、T2为其他值，为欠补偿或过补偿： 蓝线为前馈控制器输出，红线为系统输出蓝线为前馈控制