前馈控制系统

前馈控制前馈控制的提出和基本概念前馈控制系统的结构前馈控制的选用与稳定性前馈控制系统的工程整定前馈控制系统的工业应用前馈控制的提出和基本概念换热器工艺流程图1s,FpD2,F蒸汽冷凝液：流体流量F：冷流体温度2：热流体温度1换热器控制要求DpFF）蒸汽压力（）入口温度（）被加热的物料流量（主要扰动：控制参数：蒸汽流量被控参数：热流体温度恒定控制要求：热流体温度3212s11换热器温度反馈控制系统Fs,FpD2,F蒸汽冷凝液TTTC101反馈控制系统的特点反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。是一种“不及时”的控制：无论扰动发生在哪里，总要等到被控量发生偏差后，调节器才开始调节，调节器的动作总要落后扰动作用的发生。存在“稳定性”问题：必须进行分析。对包围在环内的一切扰动量均能抑制。前馈控制的原理与特点选择影响被控量，并且可测量的主要扰动，构成前馈控制系统Fs,FpDF蒸汽冷凝液FT1前馈补偿器前馈控制系统框图F1）s(ffGGPD(s)GPC(s)Dq前馈控制的补偿原理)(sGPD)(sGff)(sGPC)(sF)(1s)()()(0)()()()()()()()()()()(11sGsGsGsGsGsGsFssFsGsGsFsGsPCPDffPCffPDPCffPD前馈控制器模型为：前馈控制的特点“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称为“扰动补偿”；扰动发生后，前馈控制“及时”动作；属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；只适合于可测不可控的扰动；控制规律取决于被控对象的特性；一种前馈控制只能克服一种扰动。（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动量的大小。前馈控制的局限性完全补偿难以实现：扰动通道和控制通道的数学模型很难准确求出；即使求出，工程上难以实现。只能克服可测不可控的扰动前馈控制系统的结构形式单纯的前馈控制系统前馈-反馈控制系统前馈-串级控制系统前馈-反馈复合控制系统)(sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(sX)(sF)(sY结构之一：补偿器数学模型)()()()()()()(1)()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsFsYsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsFsGsYFPCffPDPCCPCffPDPCCPCffPD在单纯前馈控制下：作用下，系统输出为在结构一的数学模型)()()(0)()(1)()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsFsGsYFPCPDffPCCPCffPDPCCPCffPD作用下，系统输出为在结论定的适应能力。特性参数的变化具有一时所引起对象非线性求，同时对于工况变动前馈补偿器精度的要的存在不仅可以降低对，说明由于反馈为原来的控量的影响反馈控制，扰动量对被前馈)]()(1/1[.1sGsGPCC2.只要对主要干扰进行前馈补偿，其它干扰由反馈控制予以校正。结构之二)(sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(sX)(sF)(sY补偿器数学模型全补偿条件）作用下，系统输出为在()()()()(0)()(1)()()()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsGsFsGsYFCPCPDffPCCCPCffPDPCCCPCffPD工业应用：加热炉前馈-反馈控制FTTTffGTC1FBFo分析调节。调节器产生的控制作用燃料油压力等由反馈其它扰动：进料温度、前馈控制量：主要扰动：进料流量控制参数：燃油流量被控参数：出口温度21FFFB前馈-串级复合控制系统典型结构框图：由于串级控制系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制作用，所以前馈控制主要克服一次扰动。)(1sGC)(sGPC)(ffsG)(sGPD)(1sX)(1sF)(1sY)(2sGC)(2sGP)(2sX)(2sY前馈控制模型动态结构图简化为：可以求出：)()(1)()()()(222222sGsGsGsGsXsYPCPC)(1sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(1sX)(1sF)(1sY)()(22sXsY)(2sX)1)(/)(()()()(/)()()()(0)()()()(/)()()(1)(/)()()()()()(22221112212211sXsYsGsGsXsYsGsGsGsFsYsFsXsYsGsGsXsYsGsGsGsFsYPCPDPCPDffPCCPCffPD，所以：副回路是快速随动系统，即：全补偿，则要对工业应用：加热炉温度控制系统oFTTT)(sGffFCTC1FBFFT习题5.119123s)(ffsG125.0s0T)(1sFT9122s2X2Y21125.012/212/5.0)()()(/)()()()(22sssGsGsXsYsGsGsGPCPDPCPDff确定控制器的正反作用形式先研究副调节器副调节器为反作用形式）由（）已知控制阀为气开式（正作用过程蒸汽流量增加）控制阀开度增大（：副对象是蒸汽流量控制0030201220202CCVVKKKKKK再研究主调节器主调节器为反作用形式）副回路（正作用过程温度增加）蒸汽流量增加（主对象是温度控制：00120111100210CCKKKGK习题5.12画出结构图;串级控制是由内外两个反馈回路所组成，而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成；串级控制中的副参数是反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果；而前馈-反馈控制中的前馈输入量是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量；a图的框图TC加热炉)(sFTFC燃料油控制阀检测变送b图的框图TC加热炉TFC燃料油控制阀检测变送检测变送前馈控制的选用与稳定性实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动量的大小。前馈控制的选用与稳定性前馈控制系统的稳定性（1）前馈控制是开环控制，只要各环节是稳定的，系统就是稳定的；（2）前馈-反馈、前馈-串级系统，只要反馈或串级系统是稳定的，则相应的前馈-反馈、前馈-串级控制系统也一定稳定；（3）无自平衡能力的生产过程，通常不能单独使用前馈控制。前馈控制系统的工程整定前馈控制模型是由过程扰动通道和过程控制通道决定的，但准确获取过程扰动通道和过程控制通道的传递函数通常很困难，所以理论整定难以进行，目前广泛采用的是工程整定法。参见教材P138-142。前馈控制系统的实施相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串一个纯滞后环节来近似。1212211122,/11-)()()(1)(,1)(12ffsfPCPDffsPCsPDKKKesTsTKsGsGsGesTKsGesTKsGf则：如果：sssTsTKsGsGsGssesTsTKsGfPCPDffsffff21121111-)()()(21121111-)(212112否则：相差不大时，、当动态特性21/)]1(1[)(TTeKtmTtff式中：出响应为：在单位阶跃作用下，输fKtfm1111-)(21sTsTKsGfff具有超前特性，适合于控制通道滞后大于干扰通道滞后具有滞后特性，适合于控制通道滞后小于干扰通道滞后实现办法实现。；也可以用计算机程序节或一阶微分环节实现、加法器和一阶惯性环实现；也可以用比值器标准仪表（标准模块）上式中的各环节可以用sssTsTKsGsGsGfPCPDff21121111-)()()(21大滞后补偿控制大滞后带来的影响大滞后过程的预估补偿控制增益自适应的预估补偿控制大滞后带来的影响由于过程控制通道中纯滞后的存在，被控量不能及时反映系统承受的扰动。扰动量影响的反映要依靠被控参数的检测，由于滞后的存在，反映时间滞后，因而开始调节的时间也滞后——调节不及时。过程会产生明显的超调量和较长的调节时间。（原因是调节不及时）大滞后的界定与控制方案控制方案。须采用特殊的控制效果不好，采用必控制和前馈）实践证明，采用串级（。之比大于控制通道时间常数与过程时间）大滞后过程：纯滞后（23.01T大滞后过程的预估补偿控制基本思想：按照过程特性，预估出一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性。Smith预估补偿控制)(sGC)(sGPDsPesG)()(sX)(sY)(sF。的输出信号为反馈信号以函数，为过程控制通道的传递分开，并以基本思想：将)()()(sGsGesGPPsP提出等效补偿的方法。此，是不可分割的，因与程，代表实际的被控过注意：SmithesGesGsPsP)()(Smith预估补偿控制系统)(sGC)(sGfsPesG)()(sX)(sY)(sF)(sGPse)(sU)1)((sPesGSmith预估补偿控制等效框图)(2sY)(sGCsPesG)()(sX)(sY)1)((sPesG)(sU)(sY)(1sYsPCPCssPsPsPCesGsGsGsGsXsYesYsYesGesGsYsYsYsYsYesGsGsYsX)()(1)()()()(1)()()1)(()()()()()()()()()]()([211)(sGCse)(sX)(sY)(sGP)(sU)(1sY。推迟一个制过程曲线在时间轴上仅仅将控的完全相同。至于分子中质与无纯滞后制品质的影响，系统品控，消去了纯滞后对系统程消去了递函数特征方经过预估补偿，闭环传sseeSmith补偿的实现用近似数学模型模拟纯滞后环节—帕德一阶和二阶近似式帕德一阶近似式）（帕德一阶近似式：s211-12-11-s212s21s2-1ssee12s21s-112s21s112s2112s2-12222ssee帕德二阶近似式：帕德二阶近似式帕德近似式的实现2s2111)(sX)(sY2s211)(sX)(sYs6111Smith补偿控制系统框图)(2sY)(sGCsPesG)()(sX)(sY)(sU)(1sYs6111s2112)(sGP)(fsGSmith预估补偿控制存在的问题产中应用。分敏感，因此难于在生且对模型十象精确的数学模型，而补偿器要知道被控对）由于（。量扰动的抑制效果要好果比对干扰控制对给定值的跟随效预估补偿时无控制作用，所以当时产生控制作用只有SmithSmithtt2,)1(增益自适应预估补偿控制B)(sU)(sGCsPesG)()(sX)(sY)(sF)(sGPseA/Bs1A)(1sd)(2sd加热炉温度预估补偿控制轧钢车间加热炉多点平均温度反馈控制系统系统主要配置：六台设有断偶报警装置的温度变送器、三台高值选择器、一台加法器、一台PID调节器和一台电/气转换器加热炉温度反馈控制系统流程图3ITT1TT2SHTT3TT4SHTT5TT6SHPI/PID定值器1I2IITImI燃料空气系统简介统），可经济燃烧。少（比值控制系