第8-6章前馈控制系统

+ Y=T2
例：加热炉出口温度前馈－串级控制系统
原油
燃料
8.6.3 前馈控制系统的应用场合
1）干扰幅值大而频繁、对被控变量影响剧烈，仅采用反馈 控制达不到要求的对象。 2）主要干扰是可测而不可控的变量。 3）当对象的控制通道的惯性和滞后大，反馈控制不及时， 控制质量差时，可引入前馈控制。
4）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通 过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。
过程控制
8. 6 前馈控制系统
6.2前馈控制
8.6.1 概述 8.6.2 前馈控制系统的结构 8.6.3 前馈控制系统的应用场合
8.6.1 概述
反馈控制特点（例：换热器温度控制系统）
蒸汽
Q1：冷物料流量 pD ：蒸汽压力
TC
pD , Q2 Q1，T1 T2 给定值 偏差
T1：冷物料温度 T2：热物料温度
换热器温度前馈-反馈控制系统
前馈控制器的传递函数：
W
ff
(S )
W PD ( S ) W PC ( S )
前馈反馈控制系统实现完 全补偿与开环前馈比较前 馈控制器传函相同。
Q1 前馈-反馈控制原理方块图
Wff(S)
+
WPD(S) WPC(S)
+ T 2
T1i
-
WC(S)
前馈-反馈控制方框图
前馈-反馈控制系统优点： 1、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。
1 2 3 4 5 6 7
控制的依据 检测的信号 控制作用发生的时间 系统结构 控制质量 控制器 经济性
被控变量的偏差 被控变量 偏差出现后 闭环控制 动态有差控制 常规PID控制器 一种系统可克服多种干扰
8.6.2 前馈控制系统的结构
1.静态前馈控制 2.动态前馈控制 3.前馈-反馈控制 4.前馈-串级控制
前馈补偿
t
TD
干扰作用
前馈控制系统的补偿过程
Q1
wPD(S) wff(S) wPC(S)
Td +T 2 + Tc
Q1 Δ Q1
t Tc
补偿结果
T2
前馈补偿
前馈控制方框图
T2 ( S ) Q1 ( S ) W P D ( S ) W ff ( S )W P C ( S )
干扰作用
t
TD
WPD(s)、WPC(s)分别为对象干扰通道与控制通道的传递函数。 对干扰Q1实现完全补偿的条件：
思考题
下图所示为某物料加热控制系统的控制方案，试从系统结构上进 行判断属于什么系统，并说明理由（画出系统方框图） 。
FC
∑
燃料 物料
例题：下图所示为用蒸汽加热的贮槽加热器。进料量为q1，其初温为T1； 出料量为q2，温度为T2。生产工艺要求贮槽中的物料温度需维持在某一 值T上，当进料量q1不变，而初温T1波动较大时，试设计一过程控制系统。
4.前馈-串级控制
FC1
Σ
FC2
Sp.
TC Q2 T2
蒸汽流量波动较大时， 采用前馈－反馈不能 满足控制要求。
主变量？ 副变量？ 主要扰动？
Q1
T1
换热器温度前馈-串级控制系统 方框图：
Wff(S) F = Q1 WPD(S)
T1i
WC1(S)
+
WC2(S) W’P2(S) WP2(S) WPC(S)
T1 q1 T q2
T2 蒸汽
2 1 p 1i 1
Q2
FC
Q 2 L Q 1 c p (T1 i T1 )
Cp—被加热物料的比热容 L—蒸气的冷凝热
T2
T1i 出 口 温 度 设 定 值
Q1
T1
静态前馈控制器
静态前馈控制方程式：
Q 2 Q1 cp L ( T1 i T1 )
静态前馈控制流程图
T2 ( S ) ?
为0
W PD ( S ) W PC ( S )
Q1 ( S )
ff
W 前馈控制器传递函数：
(S )
前馈控制器的控制规律为对象的干扰通道与控制通道的特 性之比，式中的“负”号表示控制作用与干扰作用的方向 相反。
前馈控制系统特点：
1. 基于干扰作用的大小进行控制，比反馈控制及时，而且不受系统滞后 大小的限制。 2. 属于开环控制。 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 。 3.前馈控制规律与对象特性密切相关。不象反馈控制通用PID算法，前馈 控制算法依对象不同而不同，是视对象特性而定的“专用”控制器； 。 4、一种前馈作用只能克服一种干扰。 局限性： 1. 只能用来克服生产过程中主要的、可测不可控的扰动。 不可控：扰动量和控制量之间相互独立，干扰通道与控制通道之间无 关联，从而控制量无法改变扰动量大小，即扰动量不可控。
1.静态前馈控制
定义：前馈控制器的输出仅仅是输入量的函数，而与时间因子t无关。
特点：只能有效抑制静态偏差，而不保证其动态偏差 。 适用范围： 1、补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近。 例如： W P D ( s ) 若：T P D
TPC
K PD TPD s 1 e
PD s
TPC s 1 TPD s 1
wpc(s)
K
ff
PD PC
静态前馈：K
ff

K PD K PC
T P C s 1 S 动态前馈： e TPD s 1
适用场合：扰动变化频繁、动态精度要求高的生产过程。 缺点：控制器结构复杂 ，需要专门的控制装置，参数整定比较复杂。
2.动态前馈控制
W PD ( s ) W PC ( s )
W ff ( S ) K PD K PC
K PD TPD s 1 K PC TPC s 1
K
ff
e
PD S
F wff(s)
e

PC
S
wpd(s)
e
S
W PD ( S ) W PC ( S )W PC ( s )
K PC TPC s 1
e
PC s
PD PC
则：W
ff
(s)
K PD K PC
2、 对于一些较简单的对象，有条件列写有关参数的静态方程时，则 可按照方程求得静态前馈控制方案。 例如：换热器温度控制系统中，主物料流量Q1与进料量温度T1为主要 干扰，忽略热损失。则热量平衡式为：Q L Q c (T T )
Q2
FC
Q1
wPD(S) wff(S) wPC(S)
Td +T 2 + Tc
Q1
T1 前馈控制
T2
Q1
前馈控制方框图
Δ Q1
t Tc
补偿结果
T2 WPD(s)：干扰通道传递函数 WPC(s)：控制通道传递函数
如果蒸汽流量大小的改变，能 刚好补偿进料量的变化对被控 变量的影响，就实现了完全补 偿作用。
2、只能实现局部补偿，完全补偿难以实现。
原因：准确地掌握过程干扰通道特性和控制通道特性不容易，因此控制 规律难以准确获得；即使控制规律准确求出，工程上也难以实现。
前馈控制与反馈控制的比较
反馈控制 前馈控制 干扰量的波动 干扰量 偏差出现前，扰动发生时 开环控制 无差控制（理想状态） 专用控制器 每一种都要有一个控制系统
3. 前馈-反馈控制
前馈控制的优点： 及时克服可测的主要扰动对被控变量影响
前馈控制的缺点 反馈控制的优点 反馈控制的缺点 对不可测扰动或不明扰动无法消除影响
控制器和对象参数变化影响系统的准确性
任何扰动对系统的影响均可消除； 系统准确性高。 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； 前馈克服反馈控制不能及时调节的主要扰动，反馈克服 其它扰动。
前馈控制特点：
Q2 FC
冷物料流量Q1：变化频繁，变化幅值 大
Q1
T1
T2
测量冷物料流量，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。
→主要扰动
前馈控制方案——按干扰量的 变化来提前补偿其对被控变量的 前馈控制 影响（超前控制） 。 特点：按扰动而不是按偏差进行控制 1、干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器 就产生了控制作用。 2、前馈控制对干扰的克服比反馈控制系统及时得多。
pD
Q2：蒸汽流量
特点： 1、本质：基于偏 差来消除偏差。 （控制器的动作总 是落后于干扰动作 被控变量 的发生）
T2
Q1 T1 干扰
x
e
-
控制器
执行器
Q2
2、控制不及时。 3、引起被控变量发生 偏差的一切扰动，均被 包围在闭环中，可消除 多种扰动影响。
z
测量值
对象
测量变送
4、控制规律：P、PI、PD、PID（对被控对象的建模可以不需要很精确）
TC
干扰Q1对被控变量T2的闭环传递函数：
T2 ( S ) Q1 ( S ) W PD ( S ) W
ff
Q2
Q1
( S )W P C ( S )
FC T1
Σ T2
1 W C ( S )W P C ( S )
T2 ( S ) Q1 ( S ) 0
完全补偿：
W P D ( S ) W ff ( S )W P C ( S ) 0