第五章2-前馈-反馈控制系统

东北大学前馈控制系统第5章5.2.1前馈控制系统提出5.2.2前馈控制系统的结构5.2.3前馈控制系统的实施过程5.2.4前馈控制系统的应用5.2.5前馈控制系统的参数整定东北大学5.2.1前馈控制系统的提出反馈控制系统：按偏差大小进行控制。共同点：对象受到干扰作用后，必须在被控量出现偏差时，控制器才产生控制作用以补偿干扰对被控量的影响。缺点：无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前。原因：由于对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，从干扰产生到被控量发生变化需要一定的时间；从偏差产生到控制器产生控制作用，以及操纵量改变到被控量发生变化需要时间。前馈控制系统：干扰发生后，被控量还未显示出变化之前，控制器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。特点：比反馈控制系统控制及时。东北大学1.反馈控制的特点：dtteKdttdeKeKdtteTdttdeTteKtyIDpIDp)()(})(1)()({)(东北大学开方器：流量是工业生产过程中十分重要的参数，目前仍广泛使用孔板测量流量，在这种测量方法中：差压和流量的开方成正比；差压变送器输出的电流信号和差压成正比。这样只有对差压变送器的输出信号作开方运算，其运算结果才和流量成正比。这有利于控制和显示。东北大学①表示扰动将引起出口温度的变化；②表示前馈作用对出口温度的影响；③表示是补偿后出口温度的实际值。前馈控制实现了全补偿扰动。5.2.1前馈控制系统的特点东北大学前馈控制的特点5.2.1前馈控制系统的特点东北大学前馈控制与反馈控制的比较反馈控制前馈控制1控制的依据被控变量的偏差干扰量的大小2检测的信号被控变量干扰量3控制作用发生的时间偏差出现后偏差出现前4系统结构闭环控制开环控制5控制质量有差控制无差控制6控制器通用PID专用控制器7经济性和可靠性一种系统可克服多种干扰对每一种都要有一个控制系统东北大学前馈完全补偿的条件：Wm(s)为前馈控制器的传递函数；Wf(s)为过程扰动通道传递函数；Wo(s)为过程控制通道传递函数；F(s)为扰动；Y(s)为被控参数。前馈控制系统的传递函数为：5.2.1前馈控制系统的特点()()()()()()()()()()()fmofmoYsWsFsWsWsFsYsWsWsWsFs()0()YsFs()()()fmoWsWsWs若F(s)≠0,Y(s)=0,则东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式静态前馈控制；动态前馈控制；前馈-反馈控制；前馈-串级控制1.静态前馈控制所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数．与时间因子无关。前馈调节器的控制规律具有比例特性，其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数和过程控制通道的静态放大系数来决定。静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终的静态偏差接近或等于零，不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，在过渡过程中所产生的动态偏差。()()()fmmoWsWsKWs例如：如图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量F与进料量温度θ为主要干扰，忽略热损失。则热量平衡式为：东北大学12()pSSFcTTFh21SSPFhTTFC5.2.2前馈控制系统的结构形式hs---蒸汽汽化潜热；Fs---加热蒸汽量；F、Cp---被加热物料的量、定压比热容；T1、T2---被加热物料的入、出口温度。21SSpFhTTFc若物料入口温度不变，扰动管通道的放大系数：2soshdTWdFFCp对象控制通道的放大系数：221()fdTTTWdFF21()fpmosWCTTKWh①被加热物料扰动引起出口温度响应；②前馈控制下加热蒸汽变化引起的出口温度响应；③补偿后的真实温度曲线。误差分析：由于对象干扰通道和调节通道的动态特性不同所引起的动态偏差，这种偏差是静态前馈控制无法避免的。东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式2．动态前馈控制系统静态前馈控制存在问题：只能保证被控参数的静态偏差接近或等于零，而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。动态前馈控制器设计思想：使干扰信号经过前馈控制器至被控量通道的动态特性，完全复制对象干扰通道的动态特性，使它们的符号相反，从而实现对干扰信号进行完全补偿的目标。不仅保证了静态偏差等于零或接近于零，而且又保证了动态偏差等于零或接近于零。例如：对于换热器，设计动态前馈控制器。进料量为干扰.干扰通道和控制通道的传递函数分别为：()1fsfffKeWsTs()1osoooKeWsTs东北大学fo()()(1)()()(1)fosffomoofWsKTseWsWsKTs()(1)(1)()()(1)1ffomomooffWsKTsKTsWsWsKTsTs当对干扰量完全补偿时，有：FfoTT()()mmWsKs若实际系统的，则动态前馈控制器为如果，则显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时，动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况。东北大学通常动态前馈控制与静态前馈控制是结合在一道使用的，可更好提高其控制品质。但是动态前馈控制系统的结构比较复杂，系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控制装置。所以，当工艺要求控制品质很高时，才使用动态前馈控制方案。东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式3．前馈-反馈控制系统单纯前馈控制的存在问题：(1)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)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)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，导致扰动通道的传递函数和控制通道的传递函数的变化。东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值；前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高控制质量。在过程控制中这是一种较理想的控制方案.3．前馈-反馈控制系统下图a为换热器前馈—反馈控制系统，当物料(生产负荷)发生变化时，前馈调节器及时发出控制命令，补偿冷物料量变化对换热器出口温度的影响。同时对于未引入前馈的物料温度、蒸汽压力等扰动对出口温度的影响，则由PID反馈调节器来克服。前馈作用加反馈作用，使得换热器的出口温度较快地稳定在给定值上，获得更加理想的控制效果，图b为前馈—反馈控制系统框图。由图可求得输入x(s)、F(s)对输出Y(s)的影响为前馈—反馈控制系统框图东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式东北大学前馈—反馈控制系统优点：(1)由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统，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；(2)反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；(3)负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能力。5.2.2前馈控制系统的结构形式东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式前馈—反馈控制系统的局限性：(1)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头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。(2)必须要求控制阀前后压差恒定，否则无法实现精确的校正。为解决上述问题将前馈与串级相结合构成前馈—串级控制系统。东北大学5.2.2前馈控制系统结构形式4.前馈-串级控制系统东北大学5.2.2前馈控制系统的结构形式东北大学5.2.3前馈控制规律1.控制规律根据不变性原理，前馈调节器的特性由过程的扰动通道和控制通道特性确定。从工业应用来看，为力求设计、运行和维修方便，使前馈调节器具有一定的通用性，多数化工过程和热工过程，其特性可用一阶或二阶加纯时延来近似描述。若过程控制通道的特性为东北大学5.2.3前馈控制规律2.模拟仪表实施•KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。FFFKsW)(•1121sTsTKF型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：12)11(11)()/(212aTtTtfeaeTTTtm，这里21TTa东北大学T1T2T1=T2T1T2tmf当a1，T1T2,前馈补偿器具有滞后性，适用于控制通道滞后小于干扰通道的场合；当a1，T1T2,前馈补偿器具有超前性，适用于控制通道滞后大于干扰通道的场合。KfKK121TTK112sT输入输出++-21211222()[1]111()[11]11fffffKWsKKTsTKTTTsWsKKTsTTs12令时，有(T/T)-1东北大学常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。正微分器的传递函数：11221211221()11()1()111()111ddfdfffdKTsWsTsTsWsKTsWsKKTsTsTsWsKKTsKTsTs正反比反微分器的传递函数：比值器：则有：1211sfTsKeTs型前馈控制器采用该种前馈模型的较少。在DDZ-Ⅲ型仪表和组装仪表中，上述前馈模型都有相应的硬件模块。为前馈-反馈控制的广泛应用提供了方便。东北大学3.数字仪表实施1211sfTsKeTs的微分表示形式为：21()()()[()]fffdutdFtTutKTFtdtdt用差分方程来代替微分方程时：()(1)()|()(1)()|/ssffftkTsffftkTfssdutukukdtTdFtFkdFkddTdtT式中经过整理可得前馈控制差分算式：21121221(1)()[(1)()];1;1ffffssfukaukHFkdaFkdTTTHKaaTTT式中，Ts：采用周期。东北大学5.2.4前馈控制系统参数整定东北大学东北大学东北大学第一种：前馈-反馈系统整定法在整定好闭环PID控制系统的基础上，闭合开关S，得到闭合试验过程曲线。a)PID控制过程；b)Kf过小的欠补偿过程；c)Kf较大的过补偿过程；e)Kf合适的补偿过程d)Kf过大的过补偿过程；东北大学与a曲线相比，分析：b曲线Kf太小，不能显著的改变系统的质量，为欠补偿过程；c、d曲线Kf大，虽然可以明显的降低第一个峰值，但静态前馈输出过大，相当于对反馈控制系统又施加了一个扰动，造成下半周期的严重过调，致使过度过程长时间不能恢复。Kf过大时也会影响控制品质。e曲线Kf合适：只有Kf取合适时，过程品质才能得到显著改善。由于有反馈控制存在，对实际生产影响较小，应用较广泛。a)PID控制过程；b)Kf过小的欠补偿过程；c)Kf较大的过补偿过程；e)Kf合适的补偿过程d)Kf过大的过补偿过程；东北大学整定过程需要注意两点：1）反馈控制器必须具有积分作用，否则在干扰作用下无法消除被控变量的余差；2）要求工况稳定，以免其他干扰的影响。第二种方法：利用反馈系数整定Kf。系统正常运行后，断开S，继续稳态运行，则整定步骤如下：东北大学3.T1、T2值整定动态参数较静态参数整定复杂得多，在事先未经动态测定求取这两个时间常数时，至今尚无完整的工程整定法和定量计算公式，主要还是经验的或定性的分析来确定。动态参数T、T2值决定了动态补偿的程度。T1过小或T2过大时，产生欠补偿现象，未能有效地发挥前馈补偿的功能。Tl过大或T2过小时，则会产生过补偿现象，所得的控制过程甚至较纯粹的反馈控制系统品质还差。Tl、T2分别接近或等于对象控制通道和干扰通道的时间