第六章前馈控制

过程控制
第六章
6.1 概述（《过程控制》p124） 概述（ 过程控制》p124）
一、为什么要用补偿原理 二、不变性原理 1、绝对不变性 2、误差不变性 3、稳态不变性 4、选择不变性
基于补偿原理的三种系统
1、前馈控制系统 2、大迟延（滞后）系统 3、非线性增益补偿系统
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第六章
一.前馈控制的基本原理 二.前馈控制系统的结构 三.前馈控制系统设计中应注意的问题 前馈控制系统的工业应用 四.前馈控制系统的工业应用
+ -
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蒸汽
θ20
TC
p D,q D q,θ1
TT
θ2,q 冷凝液
pD
q θ 1
qD TC KV
被控过程
θ2
换热器反馈控制系统框图
2、前馈控制的原理与特点 原理
过程控制
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假设q 假设q为θ2的主要扰动，q变化频繁，变化幅值大，且对θ2的 的主要扰动， 变化频繁，变化幅值大，且对θ 影响最为严重。 影响最为严重。 采用前馈控制方式，如图。 采用前馈控制方式，如图。
Wm(s)
F1
Wf(s)
F2
X1
+-
X2
Wc1(s)
Wc2(s)
Wo2(s)
Y2
W01(s)
Y
前 馈 -串 级 复 合 控 制 系 统 框 图 串
Wm(s)
F1
Wf(s)
X1
+-
X2
Y2
Y2(s)/ X2(s)
Wc1(s)
W01(s)
Y
等效简化框图
三.前馈控制系统设计中应注意的问题
过程控制 第六章
Y (s) = W f ( s ) + Wm ( s )Wo ( s) F (s) 要采用前馈控制补偿扰动对被控参数的影响， 要采用前馈控制补偿扰动对被控参数的影响， 变化时, 应无变化， 当F(s)变化时,Y(s)应无变化，即Y(s)/F(s)=0 变化时 应无变化
因此，前馈控制器的模型为： ( s ) = − 因此，前馈控制器的模型为： m W
Wm ( s ) =
_
Wm ( s ) = −
W f ( s) Wo ( s )
Байду номын сангаас
Y (s) = W f ( s ) + Wm ( s )Wo ( s ) F (s)
W f ( s) Wo ( s )Wc ( s )
采用前馈-反馈后， 采用前馈-反馈后，扰动对被控量的影响为单纯前馈的
1 Wc ( s )Wo ( s )
W0 (s)
Y(s)
参见教材例子——P129 参见教材例子
3、前馈--反馈复合控制系统 前馈--反馈复合控制系统 -• • • •
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方法的提出 前馈控制是有局限性的： 前馈控制是有局限性的： 对补偿结果无法检测； 对补偿结果无法检测； 难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置； 难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置； 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。 复合控制的好处： 复合控制的好处： 既发挥了前馈校正及时的优点， 既发挥了前馈校正及时的优点， 又保持了反馈控制能抑制多个干扰 并对被控量始终给予检验的长处。 并对被控量始终给予检验的长处。
4、前馈--串级控制系统 前馈--串级控制系统 --
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方法的提出 • 当生产过程受到多个变化频繁而剧烈的扰动影响，对生产过 当生产过程受到多个变化频繁而剧烈的扰动影响， 程被控参数的控制精度和稳定性要求又较高， 程被控参数的控制精度和稳定性要求又较高，此时可考虑采用 前馈前馈-串级控制系统 原理与结构图 FC：副调节器 FC： TC： TC：主控制器 FFC： FFC：采用动态 前馈模型
前馈-前馈--反馈控制的优点 --反馈控制的优点
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只需对主要的干扰采用前馈补偿， ① 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯前馈控 制系统。 制系统。 降低了对前馈控制精度的要求， ② 降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿 创造了条件。 创造了条件。 比纯反馈控制具有控制精度高的特点。 ③ 比纯反馈控制具有控制精度高的特点。 因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。 因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。
参见教材例子——P134 参见教材例子
组成与原理
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• 前馈控制：qF经常变化，FFC将在qF变化时产生控制作用。 前馈控制： 经常变化，FFC将在 变化时产生控制作用。 将在q • 反馈控制：对于前馈控制未能完全消除的偏差，以及未能引入 反馈控制：对于前馈控制未能完全消除的偏差， 前馈控制的其他干扰( 如物料进口温度、蒸汽压力等） 前馈控制的其他干扰( 如物料进口温度、蒸汽压力等） • 复合控制：两个通道作用叠加的结果使θ尽快回到给定值。 复合控制：两个通道作用叠加的结果使θ尽快回到给定值。
2、动态前馈控制
问题及办法
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•静态前馈控制只能有效抑制静态偏差； 静态前馈控制只能有效抑制静态偏差； •动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差；而且能有效抑制 动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差； 动态偏差 原理：如右图，其中Wm(S)非纯比例环节。 Wm(S)非纯比例环节 原理：如右图，其中Wm(S)非纯比例环节。 特点及适用性
Wo ( s )
局限性
Wm ( s ) = −
W f ( s) Wo ( s )
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精确获得W (s)、 (s)是不容易的 是不容易的， (s)也难于精确获得 也难于精确获得， ① 精确获得Wf(s)、Wo(s)是不容易的， Wm(s)也难于精确获得， 无法实现对扰动的完全补偿。 无法实现对扰动的完全补偿。 即使W (s)能准确获得 有时工程上也难于实现（ 能准确获得， 即使Wm(s)能准确获得，有时工程上也难于实现（必须采用计 算机控制） 算机控制） 生产过程的扰动不止一个， ② 生产过程的扰动不止一个，不可能一个扰动一套前馈控制 复杂） （复杂） 有些扰动不可测量或难于在线测量（化学组分/ 有些扰动不可测量或难于在线测量（化学组分/物理特性尚不 清楚） 清楚） 前馈控制对被控量的控制效果没有检验依据（开环） ③ 前馈控制对被控量的控制效果没有检验依据（开环）
参见教材例子——P126图6.2 图 参见教材例子
二.前馈控制系统的结构
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一、静态前馈控制
静态前馈的含义 控制器的输出仅仅是输入F的函数，与时间t无关。 •控制器的输出仅仅是输入F的函数，与时间t无关。 •在下图中，令前馈控制器传递函数满足下式即可： 在下图中，令前馈控制器传递函数满足下式即可：
Kf Wm (s) = −Km = − Ko
特点：静态前馈控制器为一比例调节 特点： 实施起来十分方便。 器，实施起来十分方便。
F(s)
Wm(s) Wf(s)
W0 (s)
Y(s)
应用：对于扰动变化不大或者补偿要求不高的生产过程可采用 应用： 静态前馈的结构形式。 静态前馈的结构形式。
参见教材例子——P127图6.4 图 参见教材例子
扰动变量的选择依据——可测不可控 扰动变量的选择依据——可测不可控 可测： 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。 器所能接受的信号。 不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性， (s)与 不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性，即W0(s)与Wf(s) 关联，控制量无法改变扰动量的大小。 关联，控制量无法改变扰动量的大小。 前馈控制系统的稳定性 • 单纯的前馈控制：开环控制，系统中每个环节的稳定性都应予以 单纯的前馈控制：开环控制， 足够重视。 足够重视。 • 无自衡生产过程：通常不单独使用前馈控制方案，而对于前馈-反 无自衡生产过程：通常不单独使用前馈控制方案，而对于前馈馈或前馈-串级控制，只要反馈或者串级系统是稳定的， 馈或前馈-串级控制，只要反馈或者串级系统是稳定的，则相应 前馈-反馈、前馈-串级控制系统也一定是稳定的。 前馈-反馈、前馈-串级控制系统也一定是稳定的。 • 这也正是复合控制系统在工业应用中取代单纯前馈控制的原因之 一
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四.前馈控制系统的工程整定
KM
单回路或串级
前馈控制器
T1T2 τ
五.前馈控制系统的工业应用 前馈控制系统的工业应用
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第四章
小结
Wm(s)
F
Wf(s)
过程控制 Wm(s)
F 第四章
Wf(s)
X
+-
W (s)
c
W0(s)
(a)
Y
X
+-
Y W (s)
c
W0(s)
(b)
Y ( s ) = W f ( s ) F ( s ) + Wm ( s )Wo ( s ) F ( s ) − Wc ( s )Wo ( s )Y ( s )
Y ( s ) W f ( s ) + Wm ( s )Wo ( s ) = F (s) 1 + Wc ( s )Wo ( s )
Wm ( s ) = −
W f ( s) Wo ( s )
F(s)
Wm(s) Wf(s)
• 动态前馈控制能显著提高系统的控 制质量， 制质量， 但结构和参数整定均比较复杂。 但结构和参数整定均比较复杂。 • 只适用于控制精度要求很高、 只适用于控制精度要求很高、 反馈与静态前馈难于满足时。 反馈与静态前馈难于满足时。
Y ( s ) = W f ( s ) F ( s ) + Wm ( s )Wc ( s )Wo ( s ) F ( s ) −Wm ( s )Wc ( s )Wo ( s )