1、.14.2 前馈控制系统.2主要内容v基本概念v系统结构v性能分析v设计应用.3 过程控制系统 按系统的结构特点分类 1、反馈控制系统 2、前馈控制系统 3、前馈-反馈控制系统4.2.1 前馈控制基本概念.4控制器动作控制器动作补偿扰动影响补偿扰动影响被控过程受到扰动被控过程受到扰动产生偏差产生偏差特点：特点：单回路、串级控制单回路、串级控制反馈闭环控制反馈闭环控制反馈控制.5 在反馈控制系统中，控制器根据被控量与设定值之差被控量与设定值之差进行控制。如果扰动已进入控制系统，而被控量尚未变化，控制器是不会产生校正作用的。由于偏差是由于偏差是在扰动作用之后才产生的，故对在扰动作用之后才产生的，故
2、对于一些滞后（包括纯滞后和容量于一些滞后（包括纯滞后和容量滞后）较大的对象来说，控制作滞后）较大的对象来说，控制作用往往不及时，使控制过程产生用往往不及时，使控制过程产生较大的偏差，且偏差持续时间也较大的偏差，且偏差持续时间也较长。较长。当工艺对控制质量要求严格时，有些场合反馈控制便难以满足要求。 双容水箱液位控制 例：双容水箱液位控制 .6前馈控制 前馈控制正是改善反馈控制不及时的一种方法，前馈控制正是改善反馈控制不及时的一种方法，它是按它是按引起被控量变化的扰动大小进行控制的。引起被控量变化的扰动大小进行控制的。当扰动刚出现且能当扰动刚出现且能被测出时，控制器就能够发出控制信号去克服这种扰
3、动，无被测出时，控制器就能够发出控制信号去克服这种扰动，无须等待被控量的变化。因此，前馈控制对于克服扰动的影响须等待被控量的变化。因此，前馈控制对于克服扰动的影响比反馈控制来得快。如果使用恰当，控制质量可获得改善。比反馈控制来得快。如果使用恰当，控制质量可获得改善。这种按照扰动产生校正作用的控制方法，通称为前馈控制。这种按照扰动产生校正作用的控制方法，通称为前馈控制。前馈控制的基本原理：前馈控制的基本原理：测取进入过程的扰动量测取进入过程的扰动量( (外界扰动和设外界扰动和设定值变化定值变化) )，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量。，并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量。前馈控
4、制的特点：前馈控制的特点：按引起被控量变化的扰动大小进行控制，按引起被控量变化的扰动大小进行控制，无须等待被控量的变化。无须等待被控量的变化。.7例：例：换热器温度控制 方案一： 反馈控制反馈控制 FBC FBC 用加热载体的流量控制被加热流体的温度 滞后控制滞后控制 .8 前馈控制方案前馈控制方案 FFC FFC 按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响。 方案二：.9 换热器进料量为出口温度的主要干扰量，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。 超前控制超前控制扰动作用前馈作用前馈控制系统的全补偿过程 .10一、一、反馈控制与前馈控制的特
5、点反馈控制与前馈控制的特点( (一一) ) 反馈控制的特点反馈控制的特点1)1)反馈控制的本质是反馈控制的本质是“基于基于偏差偏差来消除偏差来消除偏差”。2)2)无论扰动发生在哪里，被控变量产生偏差，调节器才动作。无论扰动发生在哪里，被控变量产生偏差，调节器才动作。不及时。不及时。3)3)反馈控制系统，构成闭环，存在一个稳定性的问题。反馈控制系统，构成闭环，存在一个稳定性的问题。4)4)所有扰动都包围在闭环内，可消除多种扰动。所有扰动都包围在闭环内，可消除多种扰动。5)5)反馈控制系统中，调节规律：反馈控制系统中，调节规律：P P、PIPI、PDPD、PIDPID。.11( (二二) ) 前馈
6、控制的特点前馈控制的特点（1 1）前馈控制器是）前馈控制器是“基于基于扰动扰动来消除扰动对被控量的影来消除扰动对被控量的影响响”，称为扰动补偿。，称为扰动补偿。（2 2）按干扰作用的大小进行控制）按干扰作用的大小进行控制提前，控制及时。提前，控制及时。（3 3）前馈控制属于开环控制，不存在稳定性的问题：开）前馈控制属于开环控制，不存在稳定性的问题：开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计环控制，控制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。的要求比较严格。（4 4）是一种根据对象特性设计的）是一种根据对象特性设计的“专用专用”控制器。不象控制器。不象反馈控制通用反馈控制
7、通用PIDPID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。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前馈控制器设计依据“扰动补偿理论扰动补偿理论”。 （5 5）只对被前馈的可测不可控的主要扰动有校正作用。）只对被前馈的可测不可控的主要扰动有校正作用。其它扰动无法控制，具有一定的局限性。其它扰动无法控制，具有一定的局限性。.12控制依据控制依据检测的信号检测的信号控制作用的发控制作用的发生时间生时间反馈控制反馈控制 被控变量的偏差被控变量的偏差被控变量被控变量偏差出现后偏差出现后前馈控制前馈控制扰动量的大小扰动量的大小扰动量扰动量偏差出现前偏差出现前前馈与反馈的控制比较前馈与反馈的控制比较
8、.13系统框图与控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前馈控制方框图.14GPD(s) 干扰通道， GPC(s) 控制通道完全补偿条件：F（S）0 而 Y（S）=0 )()()()()(sPCffPDGsGsGsFsY)()()(sGsGsGPCPDffGPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前馈控制方框图系统传递函数系统传递函数扰动作用前馈作用.15不变性原理(一) 不变性的基本概念 “不变性”是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。 被控过程被控过程f (t)y (t)干扰输入下的系统干扰输入下的系统f (t)：扰动量，系统输入参数：扰
9、动量，系统输入参数y (t)：被控量，系统输出参数：被控量，系统输出参数当当f(t)0f(t)0时，系统的不变性定义为：时，系统的不变性定义为：y(t)0y(t)0即被控量即被控量y(t)y(t)与扰动量与扰动量f(t)f(t)无关无关.16不变性的类型1）绝对不变性：指系统在扰动量f(t) 的作用下被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变。2）误差不变性：指准确度有一定限制的不变性，或者说与绝对不变性存在一定误差为的不变性，又称为不变性。 系统在扰动量作用f(t) 的作用下，被控量y(t)的偏差小于一个很小的。3) 稳态不变性：系统在稳态工况下，被控量y(t)与扰动量f(t)无关。4）选择
10、不变性：系统采用了被控变量对其中几个主要扰动实现不变性，称为选择性不变性。 基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统 实质：按扰动进行补偿的开环系统。实质：按扰动进行补偿的开环系统。.174.2.2 系统结构与性能分析一、静态前馈控制静态前馈控制 前馈控制作用表达式：前馈控制作用表达式：mff(D,t) mf是其输入是其输入D（进入控制器的扰动量）和时间（进入控制器的扰动量）和时间t的函数的函数 静态前馈控制，是指控制器的输出量仅是其输入量的静态前馈控制，是指控制器的输出量仅是其输入量的函数而与时间因子无关，简化表达式：函数而与时间因子无
11、关，简化表达式： mff(D) 工程上近似表示为线性关系：工程上近似表示为线性关系： DmKffKf 前馈控制器的比例系数前馈控制器的比例系数mf 前馈控制器的输出前馈控制器的输出D- 输入的变化量输入的变化量.18v例：换热器前馈控制，按热平衡关系列写出静态前馈控制方程。.19解：换热器的热平衡方程式（忽略热损失）为：解：换热器的热平衡方程式（忽略热损失）为：F1 C1(T1oT1i)F2 H2(F1F1) C1(T1oT1i)(F2F2) H2F1为主要扰动，为保持出口温度为主要扰动，为保持出口温度T1o不变，不变，设冷流体增加为设冷流体增加为F1+F1，需要载热体相应变化到，需要载热体相
12、应变化到F2+F2，则由上式可得静态前馈控制方程为：，则由上式可得静态前馈控制方程为：11012112()ifC TTFFKFH整理后得：整理后得：Kf为比例常数为比例常数 F2/F1Kf .20 如果考虑次要的扰动如果考虑次要的扰动F F2 2和和T T1i1i的变化，把冷流体出口温度的变化，把冷流体出口温度稳定在设定值稳定在设定值T Tx x，则由式可得静态前馈控制方程：，则由式可得静态前馈控制方程：12112()xiCFFTTH 前馈控制器 控制方案：单元组合仪表实现控制方案：单元组合仪表实现换热器静态前馈控制方案 .21 静态前馈控制静态前馈控制 1 1、实现稳定工况下的干扰补偿（要求
13、没有动、实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）。有时，为了提高动态品质，可在静态态那么高）。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前馈基础上适当加入动态环节 2 2、适用于较为简单的对象，可以写出静态方、适用于较为简单的对象，可以写出静态方程式程式 3 3、单纯前馈控制要注意系统稳定性问题：、单纯前馈控制要注意系统稳定性问题： 开环通道稳定，开环通道稳定，FFCFFC稳定；稳定； 开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。 动态前馈控制动态前馈控制 实现动态干扰补偿实现动态干扰补偿)()()(sGsGsGPCPDff.22二、前馈二
14、、前馈反馈控制系统反馈控制系统 单纯前馈控制的局限性：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 结合反馈、前馈的特点，取长补短，从而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.23例：换热器例：换热器FFC-FBCFFC-FBC系统系统FFC按负荷F的变化校正蒸汽量F2 。FBC根据温度偏差对蒸汽量F2进行进一步校正。FFC与FBC作用叠加。完全补偿条件与单纯FFC相同。 )()()(sGsGsG
15、PCPDff.24FFC-FBCFFC-FBC优点：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 （3）有模型变化的适应能力 .25三、前馈三、前馈串级控制系统串级控制系统 同样对于前例的换热器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 前馈串级控制系统，克服副回路蒸汽量F2的扰动。 前馈补偿环节：)()()(sGsGsGPCPDff.26 1、前馈控制系统适用于什么场合？有某前馈一反、前馈控制系统适用于什么场合？有某前馈一反馈控制系统，其对象干扰通道的传递函
16、为馈控制系统，其对象干扰通道的传递函为 ，调节通道的传递函数为调节通道的传递函数为 ，反馈调节器，反馈调节器用用PID规律，试设计前馈调节器，并画出前馈一反规律，试设计前馈调节器，并画出前馈一反馈控制系统的方框图。馈控制系统的方框图。例：.27 答：前馈控制系统的特点是按照干扰作用答：前馈控制系统的特点是按照干扰作用的大小进行调节的，当某一干扰出现后，调节的大小进行调节的，当某一干扰出现后，调节器就对操纵变量进行调整，来补偿干扰对被控器就对操纵变量进行调整，来补偿干扰对被控变量的影响。它调节及时，并且不受系统滞后变量的影响。它调节及时，并且不受系统滞后大小的限制。前馈调节器是开环的调节系统，大
17、小的限制。前馈调节器是开环的调节系统，前馈调节规律不能用前馈调节规律不能用PID，它是一种特殊的调节，它是一种特殊的调节规律，适用于以下规律，适用于以下4种场合：种场合： 1）滞后比较大的调节对象；）滞后比较大的调节对象； 2）时间常数很小的对象；）时间常数很小的对象； 3）非线性的调节对象；）非线性的调节对象； 4）按计算指标进行调节的对象。）按计算指标进行调节的对象。 .28由理想的前馈调节规律可知：由理想的前馈调节规律可知：方块图方块图 .292 2、下图所示为加热炉的三种控制方案。试分别画出、下图所示为加热炉的三种控制方案。试分别画出 (a)(a)、(b)(b)、(c)(c)所示三种情
18、况的方块图，并比较这三种控制方案所示三种情况的方块图，并比较这三种控制方案的特点。的特点。.30 答：其方块图如图所示。其中答：其方块图如图所示。其中a a）为典型的）为典型的串级控制系统串级控制系统。主变量为加热炉出口温度。主变量为加热炉出口温度T T，副变，副变量为燃料油流量量为燃料油流量Q Q1 1 引人副变量引人副变量Q Q1 1的目的是为了及的目的是为了及时克服由于燃料油压力（流量）波动对主变量时克服由于燃料油压力（流量）波动对主变量T T的的影响，以提高主变量影响，以提高主变量T T的控制质量。的控制质量。 .31 图b）为典型的前馈一反馈控制系统前馈一反馈控制系统。系统的被控变量
19、是原油的出口温度。综合了前馈与反馈控制的优点综合了前馈与反馈控制的优点原油流量变化原油流量变化FCFC燃料油的加入量燃料油的加入量出口温度的变化出口温度的变化燃料量的加入量燃料量的加入量TCTC克服其它干扰克服其它干扰克服主干扰克服主干扰.32 图图c c串级控制：？串级控制：？双重控制：？双重控制：？前馈前馈-反馈控制：？反馈控制：？前馈前馈-串级控制：？串级控制：？.33 两个调节器TC与FC串级工作，TC的输出作为FC的给定，形似串级控制，但并没有副回路，只有一个反馈回路，执行器的输出并不能改变原油的流量，所以不能认为是一个串级控制系统。将(c)与(b)相比较，可知将图(b)中的前馈调节
20、器FC移到了控制回路内，便成了图(c)所表示的形式了。这时如将FC选择为比例调节器，那么原油流量的变化仍能及时通过FC来改变燃料油的流量，起到了静态前馈作用，而TC能根据被控变量的变化起到反馈作用。 图c）是一种形似串级控制但实际上是一种前馈反馈控制的非标准结构形式。.34三者的比较三者的比较串级控制串级控制双重控制双重控制前馈前馈- -反馈控制反馈控制.35串级控制：串级控制：一个控制器输出作为另一个控制器的一个控制器输出作为另一个控制器的设定信号设定信号双重控制：双重控制：一个控制器输出作为另一个控制器的一个控制器输出作为另一个控制器的测量信号测量信号前馈前馈- -反馈控制：反馈控制：一个
21、控制的输出与另一控制器的输出信号叠加一个控制的输出与另一控制器的输出信号叠加F1 TC FCT10F2 PCVPCV1V2SPSP串级控制串级控制双重控制双重控制前馈前馈-反馈控制反馈控制.36前馈一反馈控制与串级控制的比较前馈一反馈控制与串级控制的比较F1 TC FCT10F2 串级控制系统串级控制系统前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统.37前馈一反馈控制与双重控制的比较前馈一反馈控制与双重控制的比较PCVPCV1V2SPSP双重控制系统双重控制系统前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统主控制器主控制阀变送器R1(s)双重控制系统等效框图副控制器副控制阀对象R2(s)u2y1y2/ u1yGc1
22、(s)R1(s)Gc2(s)Go2(s)R2(s)u2y1y2Gc1(s)双重控制系统框图.38 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 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）4.2.3 4.2.3 前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施.39 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：seTsKsG1)(GPD（S）、GPC（S） GFF（S）一般控制仪表以及计算机控制系统中都具有此类模块一般控制仪表以及计算机控制系统中都具有此类模块.40v什么情况下采用前馈控制：什么情况下采用前馈控制
23、：（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 4.2.4 4.2.4 前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用.41v静态前馈还是动态前馈静态前馈还是动态前馈 动态前馈复杂，一般可用静态前馈，特别是两通道时间常数相当时。v注意前馈控制和串级控制的区别注意前馈控制和串级控制的区别 前馈-反馈、串级控制都有两个控制参数，结构上也有些相似，注意其区别 .424.2.5 4.2.5 前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定 11)(21sTsTKsGfffKf 、T1 、T2 的整定的整定vKf 的整定
24、的整定 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 闭环整定法： 闭环整定法系统方块图 .43vT T1 1 T T2 2 的整定的整定 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.44 定性分析：定性分析： 1）T1 过小或T2 过大，欠补偿，未能有效发挥前馈的补偿功能。 2）T1 过大或T2 过小，过补偿，控制品质差。 3）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，欠补偿比过补偿好些欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整。F1,T1i 换热器的前馈控制 FCmfF2T10前馈控制器载热体换热器冷流体F1F1tT10tba 扰动和补偿曲线.45难点与重点v掌握前馈控制系统的结构与工作原理v掌握前馈与反馈控制系统的特点v能对前馈-反馈控制系统进行分析与设计
