第五章2 前馈-反馈控制系统

1、前馈控制系统前馈控制系统第第5章章 5.2.1 前馈控制系统提出5.2.2 前馈控制系统的结构 5.2.3 前馈控制系统的实施过程 5.2.4 前馈控制系统的应用 5.2.5 前馈控制系统的参数整定5.2.1 前馈控制系统的提出前馈控制系统的提出反馈控制系统：反馈控制系统：按偏差大小进行控制。按偏差大小进行控制。 共同点：共同点：对象受到干扰作用后，必须在被控量出现偏差时，控制器才产生控制对象受到干扰作用后，必须在被控量出现偏差时，控制器才产生控制作用以补偿干扰对被控量的影响。作用以补偿干扰对被控量的影响。 缺缺 点：点：无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前。无法将干扰克服在被控量偏离设定值之

2、前。 原原 因：因：由于对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，从干扰产生到被控量发由于对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，从干扰产生到被控量发生变化需要一定的时间；从偏差产生到控制器产生控制作用，以及操生变化需要一定的时间；从偏差产生到控制器产生控制作用，以及操纵量改变到被控量发生变化需要时间。纵量改变到被控量发生变化需要时间。前馈控制系统：前馈控制系统： 干扰发生后，被控量还未显示出变化之前，控制器就产生了控制作用，这在理论上就干扰发生后，被控量还未显示出变化之前，控制器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。可以把偏差彻底消除。特特 点：点：比反馈控制系统控制及时。比反馈控制系统控

3、制及时。1. 反馈控制的特点：反馈控制的特点：dtteKdttdeKeKdtteTdttdeTteKtyIDpIDp)()()(1)()()(开方器开方器：流量是工业生产过程中十分重要的参数，目前仍广泛使用孔板测量流量，在这种测量流量是工业生产过程中十分重要的参数，目前仍广泛使用孔板测量流量，在这种测量方法中：差压和流量的开方成正比；差压变送器输出的电流信号和差压成正比。这样只有对差方法中：差压和流量的开方成正比；差压变送器输出的电流信号和差压成正比。这样只有对差压变送器的输出信号作开方运算，其运算结果才和流量成正比。这有利于控制和显示。压变送器的输出信号作开方运算，其运算结果才和流量成正比。

4、这有利于控制和显示。 表示扰动将引起出口温度的变化；表示扰动将引起出口温度的变化； 表示前馈作用对出口温度的影响；表示前馈作用对出口温度的影响； 表示是补偿后出口温度的实际值。表示是补偿后出口温度的实际值。前馈控制实现了全补偿扰动。前馈控制实现了全补偿扰动。5.2.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制的特点前馈控制的特点5.2.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较反馈控制反馈控制前馈控制前馈控制1 1控制的依据控制的依据 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2 2检测的信号检测的信号被控变量被控变量干扰量干扰量3

5、3控制作用控制作用 发生的时间发生的时间偏差出现后偏差出现后偏差出现前偏差出现前4 4系统结构系统结构闭环控制闭环控制开环控制开环控制5 5控制质量控制质量有差控制有差控制无差控制无差控制6 6控制器控制器通用通用PIDPID专用控制器专用控制器7 7经济性经济性 和可靠性和可靠性一种系统可克服一种系统可克服多种干扰多种干扰对每一种都要有对每一种都要有一个控制系统一个控制系统前馈完全补偿的条件：前馈完全补偿的条件：Wm(s)为前馈控制器的传递函数；为前馈控制器的传递函数；Wf(s)为过程扰动通道传递函数；为过程扰动通道传递函数；Wo(s)为过程控制通道传递函数；为过程控制通道传递函数；F(s)

6、为扰动；为扰动；Y(s)为被控参数。为被控参数。前馈控制系统的传递函数为：前馈控制系统的传递函数为：5.2.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点( )( ) ( )( )( ) ( )( )( )( )( )( )fmofmoY sWs F sWs W s F sY sWsWs W sF s( )0( )Y sF s( )( )( )fmoWsWsW s 若若F(s) 0,Y(s)=0, 则则5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式静态前馈控制；动态前馈控制；前馈静态前馈控制；动态前馈控制；前馈-反馈控制；前馈反馈控制；前馈-串级控制串级控制1.静态前馈控制静态前馈控制 所

7、谓静态前馈控制所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数与时间因，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数与时间因子无关。前馈调节器的控制规律具有比例特性，子无关。前馈调节器的控制规律具有比例特性，其大小可根据过程其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数扰动通道的静态放大系数和和过程控制通道的静态放大系数过程控制通道的静态放大系数来决定。来决定。 静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终的静态偏差接静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终的静态偏差接近或等于零，不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，在过近或等于零，不考虑

8、由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，在过渡过程中所产生的动态偏差。渡过程中所产生的动态偏差。( )( )( )fmmoWsWsKW s 例如：如图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量例如：如图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量F与进料量温度与进料量温度为主要干扰，为主要干扰，忽略热损失。则热量平衡式为：忽略热损失。则热量平衡式为：12()pSSF c TTFh21SSPF hTTFC5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式hs-蒸汽汽化潜热；蒸汽汽化潜热；Fs-加热蒸汽量；加热蒸汽量；F、Cp-被加热物料的量、定压比热容；被加热物料的量、定压比热容；T1、

9、T2-被加热物料的入、出口温度。被加热物料的入、出口温度。21SSpFhTTF c若物料入口温度不变，扰动管通道的放大系数：若物料入口温度不变，扰动管通道的放大系数：2soshdTWdFF Cp对象控制通道的放大系数：对象控制通道的放大系数：221()fd TTTWd FF 21()fpmosWC T TKWh 被加热物料扰动引起出口温度响应；被加热物料扰动引起出口温度响应； 前馈控制下加热蒸汽变化引起的出口温前馈控制下加热蒸汽变化引起的出口温度响应；度响应； 补偿后的真实温度曲线。补偿后的真实温度曲线。误差分析：误差分析：由于对象干扰通道和调节通道的动态特性由于对象干扰通道和调节通道的动态特

10、性不同所引起的动态偏差，这种偏差是静不同所引起的动态偏差，这种偏差是静态前馈控制无法避免的。态前馈控制无法避免的。5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式2动态前馈控制系统动态前馈控制系统 静态前馈控制存在问题：静态前馈控制存在问题：只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零，只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零，而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。 动态前馈控制器设计思想：动态前馈控制器设计思想： 使干扰信号经过前馈控制器至被控量通道的动态特性，完全复制对象干使干扰信号经过前馈控制器至被控量通道的动态特性，完全复制对象干扰通道的动

11、态特性，使它们的符号相反，从而实现对干扰信号进行完全补偿扰通道的动态特性，使它们的符号相反，从而实现对干扰信号进行完全补偿的目标。的目标。 不仅保证了静态偏差等于零或接近于零，而且又保证了动态偏差等于零不仅保证了静态偏差等于零或接近于零，而且又保证了动态偏差等于零或接近于零。或接近于零。例如：对于换热器，设计动态前馈控制器。进料量为干扰例如：对于换热器，设计动态前馈控制器。进料量为干扰. 干扰通道和控制通道的传递函数分别为：干扰通道和控制通道的传递函数分别为： ( )1fsfffK eWsT s( )1osoooK eW sT sfo()( )(1)( )( )(1)fosffomoofWsK

12、T seWsW sK T s ( )(1)(1)( )( )(1)1ffomomooffWsKT sKT sWsW sK T sT s 当对干扰量当对干扰量 完全补偿时，有：完全补偿时，有：FfoTT( )( )mmWsKs 若实际系统的若实际系统的 ，则动态前馈控制器为，则动态前馈控制器为如果如果 ，则，则 显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时，显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时，动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况。馈控制是动态

13、前馈控制的一种特殊情况。 通常动态前馈控制与静态前馈控制是结合在一道使用的，通常动态前馈控制与静态前馈控制是结合在一道使用的，可更好提高其控制品质。但是动态前馈控制系统的结构比较复可更好提高其控制品质。但是动态前馈控制系统的结构比较复杂，系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控杂，系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控制装置。所以，当工艺要求控制品质很高时，才使用动态前馈制装置。所以，当工艺要求控制品质很高时，才使用动态前馈控制方案。控制方案。5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式3前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统 单纯前馈控制的存在问题：单纯前馈控制

14、的存在问题：(1)单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。信息而作进一步的校正。(2)由于工业对象存在多个干扰，势必要设置多个前馈控制通由于工业对象存在多个干扰，势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用和维护工作量。道，因而增加了投资费用和维护工作量。(3)前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道受到

15、负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道的传递函数和控制通道的传递函数的变化。的传递函数和控制通道的传递函数的变化。5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式 反馈控制：反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值；在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高控制质量。控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案在过程控制中这是一种较理想的控制方案.3前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统 下图下图a为换热器前

16、馈为换热器前馈反馈控制系统，当物料反馈控制系统，当物料(生产负荷生产负荷)发生变化时，前馈调节器发生变化时，前馈调节器及时发出控制命令，补偿冷物料量变化对换热器出口温度的影响。同时对于未引入及时发出控制命令，补偿冷物料量变化对换热器出口温度的影响。同时对于未引入前馈的物料温度、蒸汽压力等扰动对出口温度的影响，则由前馈的物料温度、蒸汽压力等扰动对出口温度的影响，则由PID反馈调节器来克服。反馈调节器来克服。前馈作用加反馈作用，使得换热器的出口温度较快地稳定在给定值上，获得更加理前馈作用加反馈作用，使得换热器的出口温度较快地稳定在给定值上，获得更加理想的控制效果，图想的控制效果，图b为前馈为前馈反

17、馈控制系统框图。由图可求得输入反馈控制系统框图。由图可求得输入x(s)、F(s)对输出对输出Y(s)的影响为的影响为前馈前馈反馈控制系统框图反馈控制系统框图5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式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，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；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

18、单的通用模型创造了条件；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。偿，因此具有一定自适应能力。5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式5.2.2 前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式前馈前馈反馈控制系统的局限性反馈控制系统的局限性： (1) 前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制阀，前馈控制器的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这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应

19、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。及尽可能小的滞环区。(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。必须要求控制阀前后压差恒定，否则无法实现精确的校正。 为解决上述问题为解决上述问题将前馈与串级相结合构成前馈将前馈与串级相结合构成前馈串级控串级控制系统。制系统。5.2.2 前馈控制系统结构形式前馈控制系统结构形式4. 前馈前馈-串级控制系统串级控制系统5.2.2 前馈控制系统的结构

20、形式前馈控制系统的结构形式5.2.3 前馈控制规律前馈控制规律1.控制规律控制规律 根据不变性原理，前馈调节器的特性由过程的扰动通道和控制通道特性确定。从根据不变性原理，前馈调节器的特性由过程的扰动通道和控制通道特性确定。从工业应用来看，为力求设计、运行和维修方便，使前馈调节器具有一定的通用性，工业应用来看，为力求设计、运行和维修方便，使前馈调节器具有一定的通用性，多数化工过程和热工过程，其特性可用多数化工过程和热工过程，其特性可用一阶或二阶加纯时延一阶或二阶加纯时延来近似描述。若过程控来近似描述。若过程控制通道的特性为制通道的特性为5.2.3 前馈控制规律前馈控制规律2.模拟仪表实施模拟仪表

21、实施 KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。 FFFKsW)( 1121sTsTKF型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。 不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为： 12) 11(11)()/(212aTtTtfeaeTTTtm，这里21TTa 当当a1，T1T2, 前馈补偿器具有滞后性，适用于控制通道滞后小于干扰通道的场合；前馈补偿器具有滞后性，适用于控制通道滞后小于干扰通道的场合；当当a1，T1T2，如图，如图319中的中的b曲线。曲线。 当静态前馈当静态前馈反馈控制过程的超调方向与反馈控制相反反馈控制过程的超调方向与反馈控制相反时，表明系统分别

22、在反馈控制下干扰扰通道的滞后时间时，表明系统分别在反馈控制下干扰扰通道的滞后时间大于控制通道，故前馈动态参数大于控制通道，故前馈动态参数TIT2，即图，即图319中中c曲线所示。曲线所示。初次整定时，若初次整定时，若T1T2（超前），取（超前），取Tl=2T2； 若若 TlT2（滞后），取（滞后），取T=0.5T2。 系统置于单纯前馈控制下运行施加阶跃干扰，视被控变量的影响曲线，对系统置于单纯前馈控制下运行施加阶跃干扰，视被控变量的影响曲线，对Tl、T2值进行调整，直至获得满意的数值。值进行调整，直至获得满意的数值。第一步：不加扰动补偿，观察曲线；第一步：不加扰动补偿，观察曲线；第二步：加扰动，观察第二步：加扰动，观察T1、T2施加后，曲线的上下部分的面积；施加后，曲线的上下部分的面积；第三步：调整第三步：调整T1、T2差值，使上下部分面积接近；差值，使上下部分面积接近；第四步：保证差值不变，调整获取较为平坦的响