前馈控制系统课件

1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程 Email:S第5章 前馈控制系统 第1页，共40页。前馈控制系统5.1 前馈控制系统的特点5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式5.3 前馈控制规律的实施5.4 前馈控制系统的应用5.5 前馈控制系统的参数整定5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验 第5章第2页，共40页。5.1前馈控制系统的特点用加热载体的流量控制被加热流体的温度-滞后控制 前馈控制-按干扰进行控制的开环控制方式(a) 反馈控制方案 FBC例子：换热器温度控制TCFFs1第3页，共40页。按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响-超前控制 换热器进料量为出口温度的主要干

2、扰量，可通过流量测量，通过前馈装置，控制阀门，即用蒸汽变化补偿由于进料流量变化对出口温度的影响。（b）前馈控制方案FFC5.1前馈控制系统的特点GffFFs1第4页，共40页。5.1前馈控制系统的特点1tF前馈控制系统的补偿过程第5页，共40页。5.1前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点（1）按干扰作用的大小进行控制提前，控制及时控制的依据检测的信号 控制作用的 发生时间反馈控制前馈控制被控变量的偏差干扰量的大小被控变量干扰量偏差出现后偏差出现前第6页，共40页。5.1前馈控制系统的特点（2） 前馈控制属于开环控制 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F图5-3 系统方块图 开环控制，控制

3、效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计 的要求比较严格对象第7页，共40页。 不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。前馈控制器设计依据“扰动补偿理论” 5.1前馈控制系统的特点（3） 是一种根据对象特性设计的“专用”控制器 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F第8页，共40页。5.1前馈控制系统的特点（4） 一种前馈作用只能克服一种干扰缺点第9页，共40页。前馈控制系统5.1 前馈控制系统的特点5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式5.3 前馈控制规律的实施5.4 前馈控制系统的应用5.5 前馈控制系统的参数整定5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验 第5章第

4、10页，共40页。5.2前馈控制系统的几种主要结构形式单纯的前馈控制系统5.2.1 动态前馈控制实现动态干扰补偿 静态前馈控制 实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）第11页，共40页。单纯的前馈控制系统5.2.1图5-4 锅炉汽包三冲量控制 FCLC蒸汽量 D液位 L流量 F静态前馈控制系统例子1：给水蒸汽第12页，共40页。单纯的前馈控制系统5.2.1对于较为简单的对象，可以写出静态方程式 GffFFs12例子2：Cp - 比热 hs - 蒸汽的 汽化潜热 第13页，共40页。单纯的前馈控制系统5.2.1图5-5 换热器的静态前馈控制流程原理图FC1iF2Cp/hs第14页，共40

5、页。开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。 单纯的前馈控制系统5.2.1 有时，为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态环节 GffD.FS.F K1i2FCp/hs单纯前馈控制要注意系统稳定性问题： 开环通道稳定，FFC稳定；第15页，共40页。前馈-反馈控制系统5.2.2 反馈、前馈取长补短，形成前馈反馈控制方案（FFCFBC） 对主要干扰进行前馈控制校正及时 对其它干扰进行反馈控制反馈校正，多干扰控制 单纯前馈控制的局限性： （1）不能根据偏差进行控制效果检验（不能反馈）而不断纠正偏差（2）受模型精度影响GPD(s)、GPC(s) （3）一个前馈控制只能处理一个扰动第16页，共4

6、0页。前馈-反馈控制系统5.2.2图5-7 换热器FFC-FBC系统 +GffTCFSF1 FFC按负荷F的变化校正蒸汽量FsFBC根据温度偏差，对蒸汽量Fs进行进一步校正。 FFC与FBC作用叠加，又称复合控制系统。第17页，共40页。前馈-反馈控制系统5.2.2图58 典型FFCFBC系统方块图GPD (s)GC(s)GPC(s)Gff(s)1i1F第18页，共40页。前馈-反馈控制系统5.2.2GPD(s)十Gff(s)GPC(s)0应用不变性原理： F(s)0，1(s)0代入上式中，即可推导出前馈控制器的传递函数：FFCFBC系统实现完全补偿的条件是相同的 第19页，共40页。（3）有

7、模型变化的适应能力 前馈-反馈控制系统5.2.2FFC-FBC优点：（1）FFC只需对主要干扰进行前馈补偿，其余干扰由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，对FFC的模型精度要求降低 第20页，共40页。前馈-串级控制系统5.2.3 同样对于上述换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定，无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥解决办法：串级控制Gff +TCFCFSF 图5-9 换热器的前馈-串级控制系统 第21页，共40页。前馈-串级控制系统5.2.3GPD(s)Gff(s)GC(s)GPC(s)GC2(s)GP2(s)F1i1第22页，共40页。前馈控制系统5.1 前馈控制系统的特点5.

8、2 前馈控制系统的几种主要结构形式5.3 前馈控制规律的实施5.4 前馈控制系统的应用5.5 前馈控制系统的参数整定5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验 第5章第23页，共40页。5.3前馈控制系统的实施工业应用希望控制规律能具有一定的通用性，便于控制实施（特别是仪表） 前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的传递函数工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多，不利于实施第24页，共40页。5.3前馈控制系统的实施一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似,如：-K+K+-+ 输入 输出 第25页，共40页。5.3前馈控制系统的实施Kf K1/(T2s+1)输入+K=T1/T

9、2-1输出图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图=T1/T2 1l（输出）mfT1 T2 超前特性T1 T2 滞后特性T1 =T2 比例特性第26页，共40页。扰动变量的选择：前馈控制是按扰动控制的，因此，扰动必须可测如果扰动易控，可直接采用反馈控制系统来控制；前馈控制针对单一扰动控制，因此，扰动应是主要扰动。为克服其他扰动，通常采用前馈-反馈控制系统。主要扰动无法落在串级控制的副环时，用前馈-反馈，可得到更好的控制效果。第27页，共40页。前馈控制系统5.1 前馈控制系统的特点5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式5.3 前馈控制规律的实施5.4 前馈控制系统的应用5.5 前馈控

10、制系统的参数整定5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验 第5章第28页，共40页。5.4前馈控制系统的应用（1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干扰进行前馈控制 （2）系统中存在可测、不可控的显著干扰 （3）工艺要求实现变量间特殊关系的控制 （4）经济性原则什么情况下采用前馈控制：第29页，共40页。T2CT1CGff+TC燃油燃油原料油原料油(a)串级控制系统(b)前馈反馈控制系统图514 加热炉的两种控制系统前馈-反馈与串级控制系统的区别：第30页，共40页。5.4前馈控制系统的应用图5l 5 设计错误的串级控制系统 TCFCFTCFC原料油燃油第31页，共40页。前馈控制

11、系统5.1 前馈控制系统的特点5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式5.3 前馈控制规律的实施5.4 前馈控制系统的应用5.5 前馈控制系统的投运和参数整定5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验 第5章第32页，共40页。5.5前馈控制系统的投运和参数整定Kf T1 T2 的整定 GPCGCGffGPDD(s)12XY第33页，共40页。Kf 的整定5.5.15.5前馈控制系统的参数整定方法2：闭环整定法：2开1闭 方法1：开环整定法： 断开反馈通道，单纯前馈控制，施加干扰， 改变Kf ，直到控制变量回到给定值条件：反馈控制器必须有积分作用第34页，共40页。开关1、2都闭合，做两次实

12、验Kf 的整定5.5.1方法3：前馈反馈系统下（2）在反馈整定好的基础上，施加相同的干扰量，由小到大改变Kf ，直到满意。（1）先开2，纯反馈。欠补偿补偿合适过补偿第35页，共40页。T1、T2的整定5.5.2 T1 T2 属于动态参数的整定，比静态参数的整定复杂，无完整的工程整定方法和计算公式。 看曲线，调参数，反复试凑T1T2T1T2（输出）mf第36页，共40页。T1、T2的整定5.5.2 T1 过小或T2 过大，欠补偿，未能有效发挥前馈的补偿功能，图（B）。 T1 过大或T2 过小，过补偿，控制品质差，图（D） T1 和T2 接近对象控制通道和干扰通道时间常数时，控制品质最佳，图（C）。 欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整 CDBA定性分析：第37页，共40页。另外一种方法：（1）确定T1 和T2 哪个大 在静态整定后，使系统分别在反馈状态和前馈反馈状态下运行，施加前馈扰动，通过控制过程曲线判断， T1、T2的整定5.5.2ytabcA反馈曲线，B干扰通道T2 控制通道T1第38页，共40页。T1、T2的整定5.5.2（2）若T1 T2 ，取T1在2 T2附近，若T1 T2 ，取