第四节 复杂控制系统2

三、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。所以用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（一）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——基于偏差的控制被控变量干扰设定测量变送器反馈控制器执行器对象偏差反馈控制总要落后扰动，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。调节规律一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。被控变量干扰设定测量变送器反馈控制器执行器对象偏差2、前馈控制Feedforwardcontrol简称FFC当扰动一出现，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F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。对象干扰执行器被控变量干扰通道Y1-Y1调节器测量变送器前馈控制特点：①前馈控制器功能：“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。因此前馈调节器又称为“扰动补偿器”。②扰动发生，前馈控制器及时动作，对抑制由于扰动引起的动、静态偏差快速有效。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。对象干扰执行器被控变量干扰通道Y1-Y1调节器测量变送器④只对被测的那一个扰动，即可测（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扰动补偿的局限性。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。对象干扰执行器被控变量干扰通道Y1-Y1调节器测量变送器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被控变量干扰特点比较：前馈控制是基于扰动控制，反馈控制是基于偏差控制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、变化幅度大、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。（二）前馈控制器的设计不变性原理是前馈控制的理论基础。1、不变性原理不变性原理指控制系统的输出量与输入量完全无关，或在一定准确度下无关。0)(0)(:tYtF时，当即被控过程Y(t)F(t)按照控制系统输出与输入的不变性程度，分为几种不变性：(1).绝对不变性(2).稳态不变性(3).ε不变性（1）．绝对不变性输出量Y(s)在输入量F(s)作用下，过渡过程中始终不变。即静态和动态偏差都为0。Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)前馈控制方框图前馈控制WffF(s)VY(s)Y2(s)Wf(S)Wo(S)Y1(s)Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)前馈控制方框图FΔFyy2(t)y1(t)tt前馈控制完全补偿F(s)变化y1(t)+y2(t)=00)(0)(:tYtF时，当即前馈控制WffF(s)VY(s)Y2(s)Wf(S)Wo(S)Y1(s)（2）．稳态不变性输出量Y(t)在输入量F(t)作用下，系统的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0（3）．ε不变性被控量Y(t)在扰动量F(t)作用下，系统稳态偏差小于一个小量，用ε表示。y1(t)y2(t)系统输出y(t)ε2、前馈控制器的设计1）输出Y(s)与扰动F(s)之间关系：)()()()(包含执行器：控制通道传函含测量环节）：前馈控制器传函（包：扰动通道传函SWSWSWofffWff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)V(S)Wo(S)WffF(s)VY(s)Y2(s)Wf(S)Wo(S)Y1(s))()()()()()()()()()()(SWSWSWSFSYSFSWSWSFSWSYofffofff根据框图，有：0)()()(:0)(,0)(SWSWSWSYSFofff即Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)F(s)Y(s)则根据绝对不变性原理：满足输出绝对不变性前馈控制器：)(/)()(SWSWSWofff)()()(()(包含执行器：控制通道传函：扰动通道传函包含测量环节）：前馈控制器传函SWSWSWofff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。(三)、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F变化时，前馈控制器改变加热蒸气Fs以补偿F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。ΣWff对象MffFSTcSpFY反馈控制克服其它干扰，而对不易克服的主要干扰用前馈控制克服。前馈-反馈控制方框图Wf(S)Wo(S)+-Y1SpFYY2Tc(S)Wff(S)+ΣWff对象MffFSTcSpFY)()(1)()()()(1)()()(SWSTcSWSWSWSTcSWSFSYooffof干扰F对被控变量Y的闭环传递函数为：Wf(S)Wo(S)+-Y1SpFYY2Tc(S)Wff(S)+0)(,0)(SYSF)()()(0)()()(SWSWSWSWSWSWofffofff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？)()(1)()()()(1)()()(SWSTcSWSWSWSTcSWSFSYooffofWf(S)Wo(S)+-Y1SpFYY2Tc(S)Wff(S)+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）