过程控制-第7章-前馈控制系统-xu

第7章前馈控制系统设计单回路控制系统设计串级控制系统设计

都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时，输出必然有波动。有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？此控制具有以下特征：在扰动影响输出前进行调节。直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制本章内容1前馈控制的基本概念2前馈控制器的设计3前馈-反馈，前馈-串级复合控制系统4前馈控制系统的应用原则5前馈控制系统的参数整定6前馈控制系统典型应用1前馈控制的基本概念前馈控制是相对于反馈控制而言的。1、反馈控制：Feedbackcontrol简称FBC反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差，控制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响

反馈控制特点：当干扰已经发生，但是被控参数尚未变化，偏差=0，则控制器不产生调节作用。例如：闭环中的干扰：冷流体流量波动干扰设定

测量变送

反馈控制器

执行器被控变量对象偏差——基于偏差的控制反馈控制总要滞后扰动，是一种不及时的控制。反馈控制是闭环控制，存在稳定性问题。对闭环回路中扰动都有调节作用。调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。干扰设定

测量变送

反馈控制器

执行器被控变量对象偏差2、前馈控制Feedforwardcontrol简称FFC当扰动一旦出现，调节器就根据扰动的大小和性质进行控制，补偿扰动对系统的影响，使被控参数不变。例如：闭环中的干扰：冷流体流量波动—突然增加这种直接根据造成偏差原因--扰动进行的控制称为前馈控制

前馈控制：当冷流体流量增加N时，其对输出温度影响假如为Y1，当其一产生，即改变蒸汽流量Fs，使得蒸汽Fs对输出温度影响为-Y1，那么输出温度就不会变化。通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好补偿干扰对对象的影响。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Y1-Y1前馈控制特点：①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前馈调节器又称为“扰动补偿器”。②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、静态偏差比较快速有效。③前馈控制属开环控制，只要系统中各环节稳定，控制系统必定稳定。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Y1-Y1④只对被测量的可测而不可控的扰动有校正作用，而对系统中的其他扰动无校正作用。即前馈控制具有指定性补偿的局限性。⑤前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性，因此，有时控制规律比较复杂。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Y1-Y1前馈控制与反馈控制比较干扰设定

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制器执行器被控变量

测量变送器干扰通道Y1-Y1特点比较：前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制抑制干扰，前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采用通用PID控制器一种前馈控制只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合

系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的干扰，这些干扰对被控参数影响显著，单用反馈控制达不到质量要求时。

当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控制系统。2前馈控制器的设计不变性原理是前馈控制的理论基础。一、不变性原理不变性原理指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。

被控过程及仪表

Y(t)N(t)

按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度，分为几种不变性类型：

1．绝对不变性

2．稳态不变性3．ε不变性1．绝对不变性被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，过渡过程中始终不变。即静态和动态偏差都为0。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WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)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NΔNyy2(t)y1(t)tt前馈控制系统补偿过程WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)y1(t)+y2(t)=02．稳态不变性被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统在稳态偏差与扰动无关。即静态偏差为0，动态不为0。y1(t)y2(t)系统输出y(t)静态偏差为0动态偏差不为03．ε不变性被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统偏差小于一个小量，用ε表示。y1(t)y2(t)系统输出y(t)ε二、前馈控制器的设计1）输出Y(s)与扰动N(s)之间关系：WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)对象Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)V(S)Wo(S)V(S)根据框图，有：则根据绝对不变性原理：Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)满足输出绝对不变性前馈控制器：满足输出绝对不变性的前馈控制器是由系统对象的扰动通道特性和控制通道特性决定。当对象通道特性比较复杂时,前馈控制器复杂,难以实现。所以满足绝对不变性的前馈控制器实现条件比较复杂。满足稳态不变性前馈控制器实现结构简单,且稳态误差为0。2）前馈控制器的设计

前馈控制器有两种形式：静态、动态1、静态前馈控制器满足稳态不变性，取t->∞(即s->0)的值。即只取其通道增益。有：静态前馈控制器是一个比例环节。扰动N

扰动输出调节输出系统输出t->∞Wff(s)Wo(s)Wf(s)N扰动N

动态前馈要补偿的面积动态过程产生的偏差扰动输出前馈补偿系统输出2、动态前馈控制器动态前馈Wff(s)满足绝对不变性：静态前馈控制常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯性环节。动态前馈控制器:讨论：（1）To=Tf，则若,动态前馈为纯迟延,可实现；若,动态前馈为纯提前,不可实现。扰动N由此可得：在选择控制通道时应选择纯迟延短的通道。Wff(s)Wo(s)Wf(s)N控制控制（2）τf=τo，则若To=Tf

,若To>Tf

,若To<Tf

,为超前补偿特性为滞后补偿特性为比例环节扰动N一般对象的纯迟延并不明显，因此动态前馈常采用:Wff(s)Wo(s)Wf(s)N超前滞后3复合控制系统1、单纯的前馈控制系统2、前馈-反馈复合控制系统3、前馈-串级复合控制系统1、单纯的前馈控制系统(1)动态前馈控制（基于“绝对不变性原理”）WffNFMffY考虑过程对象通道特性如图所示换热器前馈控制系统即为单纯的动态前馈控制。NΔNYY2Y1ttGff(S)Gf(S)Go(S)++Y1

Y2NY前馈控制方框图补偿原理：通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量控制通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并且符号相反，以达到补偿效果。（2）静态前馈控制

（基于稳态不变性原理）

定义：前馈控制器的输出Mff仅仅是输入量的函数，而与时间因子t无关，称为静态前馈控制。

适用范围：一般对于补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近，可采用静态前馈控制。

对于一些较简单的对象，有条件列写有关参数的静态方程时，则可按照方程求得静态前馈控制方案。

WffNFSMffY

Y2

Cp—物料的比热容hs—蒸汽的汽化潜热例如：如图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量波动N为主要干扰，忽略热损失。则热量平衡式为：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ΣNFSMffY

Y2

×Cp/hSX

-FC×2、前馈-反馈复合控制系统

单纯前馈控制的存在问题：

(1)补偿效果无法检验：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，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。（2）多个干扰成本大：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。（3）控制精度不高：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Wo(s)和Wf(s)的变化。反馈控制的优点：任何扰动对系统的影响均可消除；系统准确性高。反馈控制的缺点：有偏差才控制;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MffY

Y2

ΣFSTCSp前馈、反馈控制分别在系统中作用：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)+-Y1

SpNY+Y2TC(S)Wff对象Mff

ΣFSTCSpNY干扰N对被控变量Y的闭环传递函数为：Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-Y1

SpNY+Y2TC(S)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FFC相同。思考：如果前馈控制信号线接在反馈信号前如何设计前馈控制器？前馈—反馈控制系统优点：

（1）由于增加了反馈回路，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，大大简化了原有前馈控制系统；

（2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求；（3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。

（4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且与反馈控制器特性有关。（同学试自己推导）3、前馈-串级复合控制系统

前馈-反馈控制系统的局限性：

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为物料流量与控制阀膜片压力间的关系。

这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀(执行器)提出了严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。另外，当有多个主要干扰时，用前馈-反馈不能得到要求的控制质量。Wff对象

MffY

ΣFSTCSpSpWffNMffY1

Y2

Σ

TCFCFS前馈-串级控制方框图Wff(S)Wf(S)Wo1(S)+-SpNYTC(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：同样，可根据不变性条件推导Wff的传递函数。式中，G’o2为副回路等效对象的传递函数：Wff(S)Wf(S)Wo1(S)+-SpNYTC(S)+Wo2(S)FC(S)-

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：应用不变性条件：可推导出前馈控制器的传递函数：

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。4前馈控制系统的应用原则

前馈控制系统的应用原则：（1）对象的滞后或纯滞后（控制通道）较大，反馈控制难以满足工艺要求，可以采用前馈控制把主要干扰引入前馈控制，构成前馈-反馈控制系统。（2）系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰，可采用前馈控制大大提高控制品质。

（3）在决定选用前馈控制方案后，当静态前馈能满足工艺要求时，不必选用动态前馈。特别注意:

串级控制系统与前馈-反馈控制系统在结构上的区别。T1CT2C燃料原油T1C燃料原油WffΣ

串级控制系统前馈-反馈控制系统设计错误的串级控制系统TC燃料原油FC上图所示的系统方框图FTWf(S)Wo(S)+-FTC-FC5前馈控制系统的参数整定1)Kff的整定（静态）2)T1、T2的整定1）Kff的整定重要性：如果Kff过小，补偿不足。如果Kff过大，则相当对反馈控制路施加了干扰，将会输出错误的静态前馈输出。Kff的整定方法：

（1）开环整定方法：开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单纯静态前馈状态下，施加干扰，Kff由小逐步增大，直到被控变量回到给定值，此时Kff为最佳值。

Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K（2）闭环整定方法：Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(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；

开关K闭合，使系统处于前馈—反馈状态，施加同样的干扰作用，由小而大逐渐改变Kff值。系统输出为以下几种情况:Kff=0无前馈Kff适当补偿合适Kff太小欠补偿Kff过大过补偿欠补偿,增大Kff,施加同样干扰,看输出过补偿,减小Kff,施加同样干扰,看输出方法2：差值法：测量前馈控制器输入，输出变化量；算比值输入：扰动量输出：控制量Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K步骤：

a、开关K打开，在只有反馈和扰动N0时，整定反馈控制器的输出；记录稳定后扰动量N0和反馈控制器输出u0

b、人为改变扰动大小为N1；记录稳定后扰动量N1和反馈控制器输出u1

c、按下式计算：

d、设置Kff值，施加扰动，观察输出。如果输出不够理想，调整。Kff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K2）T1、T2的整定看过渡过程曲线，调参数的经验法：1.欠补偿曲线：第一个峰值没有大的减小。当T1过小或T2过大时，如图(a)。2.过补偿曲线：出现反向的过调输出。当T1过大或T2过小时，如图(b)。3.补偿合适曲线：第一个峰值明显减小，也未出现反向过调输出当T1、T2分别接近或等于对象控制通道和干扰通道时间常数时，,如图(c)。yt(a)欠补偿ty(b)过补偿yt(c)补偿合适动态前馈补偿器T1和T2的整定补偿合适：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，红线为系统输出欠补偿过补偿

特别说明：

由于过补偿往往是前馈控制系统危险之源，它会破坏控制过程，甚至达到不能允许的地步。相反，欠补偿却是寻求合理的前馈动态参数的途径。因此动态参数的整定应从欠补偿开始，逐渐强化前馈作用，即增大T1或减小T2，直至出现过补偿的趋势，再略减前馈作用，便可获满意的控制过程。1.欠补偿曲线：增强前馈补偿作用，T1↑或T2↓。2.过补偿曲线：减小前馈补偿作用，T1↓或T2↑。直到出现补偿合适曲线。1、连续消毒塔温度控制制药业中，抗菌素生产采用培养基发酵的方法进行。培养基是用粮食、油料等粉剂和水制成，在它进入发酵罐接种之前必须进行灭菌消毒。过去的消毒方法是把培养基放到发酵罐中，用蒸汽加温到128度左右，保持一段时间，杀灭其中的霉菌，并将培养基煮成熟料。消毒后的培养基还需要冷却到适当的温度，方能接种发酵。这种消毒方法的操作周期很长。典型应用举例为了改进上述消毒时间过长的缺点，采用了连续消毒方法。培养基液料经预热后由离心泵送入连续消毒塔，与蒸汽直接混合使其温度上升到128度然后进入维持罐停留保温15分钟，以便充分灭菌，再经排管冷却后去发酵罐接种发酵。连续消毒塔的主要控制指标是培养基连续消毒塔的温度。必须对它进行控制通常要求控制精度为128±2℃。对于连续消毒塔的出口温度，采用单回路