前馈控制系统的补偿方案与应用_王哲

1、2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#前馈控制系统的补偿方案与应用王哲魏晓燕(江西省化学工业学校)摘 要：由于认识的不足和自动化工具的局限性 ，前馈控制系统一直发展比 较缓慢。随着新型仪表和新技术的 发展为前馈控制系统创造了条件。本文根据 前馈控制系统的特点介绍 了前馈控制的补偿实施方案以及应用。关键词：前馈 控制系统 补偿方案2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用183Gd(s) =-GfC3)Go(s)1前馈控制系统及其特点一般的控制系统都属于反馈控制，这种控 制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、 扰动幅度大而频繁的过程控制往

2、往不能满足生 产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效 果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控 制,所以控制是及时的。如果补偿作用完善可 以使被控变量不产生偏差。前馈控制系统原理图中：Gf为扰动通道至测量点的过程传递函数Go为控制通道至测量点的过程传递函数Gd为前馈补偿装置的传递函数F为扰动值根据原理图可知：丫( s)= Gf(s)+ Gd(s)Go (s)F(s)前馈控制补偿的条件是：Gf( s) + Gd( s) Go(s)= 0& W94-2012 C liina Academie Journal Eltctror此式说明，扰动作用和前馈补偿装置依照扰动作用而产生的校正作用相互补

3、偿，由此得出：设过程特性是一阶的其控制通道和扰动通 道的传递函数分别为-KoGo(s) = tos门KfGf(护 f+7则前馈补偿装置的传递函数为Kf T0S+ 1T1S+ 1Gd(s)= - (Ko)(Tfs+ 1)= - Kd T2S+ 1 式中，Kd是静态增益,(T1S+ 1)是超前项， (T 2S+ 1)是滞后项，它是一个超前一滞后环节。 Kd值可通过计 算或实测 获得，起静态补偿作 用,使校正作用与扰动作用对被控变量的影响 相抵消。超前)滞后环节起动态补偿作用，使 校正作用与扰动作用对被控变量的影响在时间 上恰好合拍而使作用完全抵消。如果To> Tf,即扰动通道比控制通道反应快

4、，则取T1> T2,就是在前馈校正通道上增加一些超前作用；反之，如果,即控制通道比扰动通 道反应快，则取T1 < T2,使前馈补偿装置起一个滞后作用；倘若ToUTf,则取T1 UT2,这就相当于静态前馈补偿。2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#超前)滞后环节的阶跃响 应2前馈控制系统的形式及其实施方案2. 1静态前馈控制系统及其实施方案如图所示,前馈控制器的输出信号是按干 扰大小随时间变化的，它是干扰量和时间的函 数。而当干 扰通道和控制 通道动态特 性相同 时,便可以不考虑时间函数，只按静态关系确定 前馈控制作用。静态前馈是

5、前馈控制中的一种 特殊形式。可利用热平衡原理来分析 ，近似的平衡关系是蒸汽冷凝放出的热量等于进料流体获得的2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#Q2L= Q1cp(H2- H1) ,(1)式中L为蒸汽冷凝热Cp为被加热物料的比热容 Q2为蒸汽流量Q1为进料流量当进料增加后为 Q+ v Q1,为了保持出口温度不 变,Q2需要相应地变化到 Q2+ v Q2,列出这时 的静态方程 为：(Q2+ vQ2)L= ( Q1 + v Q1) cp (H2H1), , (2)可得：vQ2L= vQ1#CP(HT

6、 H) ,(3)cp(H2- H)v Q2=L v Q1= K v Q1(4)因此,若能使Q2与Q1的变化量保持 卫严vQ1=K的关系就可以实现静态补偿。根据静态控 制方程式(4),构成换热器静态前馈控制实施方 案如右图所示。在实际仪表系统中，静态增益Kd为：2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用185静态前馈控制实施方案Elcclranic Publishinii Hou2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#vQ2 =心 v Q1Q2max- Q2minQlmax- QlminQlmax- QlmnKQ2max- Q2mn K图中的

7、虚线部分构成前馈补偿装置辅助回路。2. 2动态前馈控制系统及其实施方案静态前馈控制只能保证被控变量的静态偏 它的差接近或等于零，并不能保证动态偏差达到这2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#输出应该能精确控制蒸汽流量，但是若由它直接去控制调节阀，往往达不到要求，这是由于阀 不一定是线性特性，通常会随外来扰动而变化。 因此，大多数的前馈控制采用流量反馈控制的个要求。故必须考虑对象的动态特性，从而确定前馈控制器的规律，才能获得动态前馈补偿。 如图所示是在静态前馈控制的基础上加了个动 态前馈补偿环节，便构成了动态前馈控制实施2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#动态前馈控制实施方案2

8、003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#图中的动态补偿环节的特性，应该是针对对象的动态特性来确定的。在静态前馈控制的 基础上，加上延迟环节或微分环节，以达到干扰 作用的近似补偿。按此原理设计的一种前馈控 制器，有三个可以调整的参数 K、i、T2。K为放 大倍数，是为了静态补偿用的。 、2是时间常 数，分别表示延迟作用和微分作用的强弱。相据两通道的特性适当调整 Ti、T2的数值，使两 通道反应合拍便可以实现动态补偿 ，消除动态 偏差。2.3前馈-反馈控制系统前馈与反馈控制的优缺点是相对应的。若 把其组合起来，取长补短，使前馈控制用来克服 主要干扰，反馈控制用来克服其他的多种干扰，2003年1

9、2月前馈控制系统的补偿方案与应用#对于干扰通道而言，控制通道反应快的给它加两者协同工作以提高控制质量。如图所示为加2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用187强延迟作用，反应慢的给它加强微分作用。根热炉的前馈-反馈控制系统。反馈控制系统PuhlishirL； House. All rinhts reserved.2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#如果负荷原料油流量波动是主要扰动 ，则 可把原料油流量检测信号送往前馈补偿装置 ， 其输出与温度调节器输出叠加后送往调节阀或作为燃料油流量调节器的设定值。前馈 -反馈控制系统的方块图如下图所示。2003年12月前馈控制系统的补偿方案与

10、应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#前馈-反馈控制系统方块图2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#2003年12月前馈控制系统的补偿方案与应用#3前馈控制系统的应用3. 1前馈控制作用的选择前馈控制作用的选择可通过分析过程控制 通道和扰动通 道的反应快慢,即To和Tf的大 小来合理选用。3. 1. 1当To< Tf时由于控制通道很灵敏,克服 扰动能力强，所以一般只要单纯用反馈控制就 可以达到满意的控制质量，不必采用前馈控制。3. 1.2当To= Tf只要用静态前馈一反馈控制 就可较好地改善控制质量。3. 1.3当To> Tf可采用动态前馈一反馈控制 来改善控制质量。3. 2采用前馈控制的条件前馈控制主要的应用场合有以下几种情况：3.2. 1干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧 烈，仅采用反馈控制达不到要求的对象。3.2.2主要干扰是可测而不可控的变量。所 谓可测，是指干扰量可以运用检测变送装置将