第六章-前馈控制系统

在过程受扰动的影响以后
5、前馈控制系统的方框图
过程控制
前馈调节器的传递函数可应用不变性原理 定量地导出，其前馈控制系统框图为： D(s)
Gd (s)
Y(s)
G ff (s)
G p ( s)
框图中，D(s)－扰动 ； Y(s)－被控量 Gd(s)－对象扰动通道传递函数 Gff(s)－前馈调节器 Gp(s)－对象传递函数
另外，前馈控制器的输出不直接加在阀门上，而是作为副调节 器的给定值，可降低对调节阀门特性的要求。
过程控制
FT
蒸汽 FC T2C
FffC
FffT D， pd
T2T
热物料 冷物料 T1，Q 换热器 冷凝水 换热器的前馈－串级控制
D1(s) Gffc(s) Gffm(s) Gd(s) Gc1(s) Gc2(s) Gv(s) Gp2(s) Gp1(s)
Gd ( s ) K d Tp s 1 ( p d ) s G ff ( s ) e G p (s) K p Td s 1 K ff Tp s 1 Td s 1 e
ff s
ff p d
在大多数情况下，只需考虑主要的惯性 环节，也就是实现部分补偿，因此，动 态前馈算式通常采用近似式：
前馈控制引起输出量的响应为：
Kd Y2 ( s ) G ff ( s )G p ( s ) F ( s ) K p t p y2 (t ) K d 1 exp( ) Tp K p p s 1 e T s 1 s p
过程控制
过程控制
前馈控制系统
大迟延系统
非线性增益补偿系统
6.1 前馈控制系统
一、基本概念
1、不变性原理
fn(t) f2(t) f1(t)
过程控制
… u(t) … y(t)
被控对象中的基本扰动与外部扰动
过程控制 •
不变性原理是自动控制理论中研究扼制和消 除扰动对控制系统影响的理论。实际的控制系统 都会受到外部扰动的影响。如果这种扰动能够被 测量出来，就有可能利用它来产生控制作用，以 消除其对输出的影响。这种设计原理就是不变性 原理。
实现完全补偿的条件为：
Gd ( s) G ffc ( s) G ffm ( s)Gc ( s)Gv (s)G p (s)
过程控制
4、前馈串级复合控制系统
有的生产过程常受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响，而 生产过程对被控参数的控制精度和稳定性要求又很高，这时 可考虑采用前馈－串级控制系统。 系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制能力，而前馈控制 能克服进入主回路的扰动。
过程控制
• 不变性原理由苏联学者Г.В.谢巴诺夫在1939年首 先提出。40～50年代苏联学者Н.Н.卢津、Б.Н.彼德 罗夫等对此进行了系统的研究，使之发展成为一整 套完整的理论。在西方，C.D.约翰逊继苏联学者之 后也独立地提出，在作用有外扰动的控制系统中， 应当把控制分成两部分，一部分用来抵消扰动的作 用，另一部分用来实现跟踪控制（使系统的状态按 给定的规律变化），并建立了这种抵消扰动的理论。
s 0
Kd Kp
只能保持过程在稳态下补偿扰动作用 为了实现静态前馈控制，可以根据换热器的热量平衡关系， 求出静态前馈放大系数。
过程控制
例：换热器的流量静态前馈控制系统的设计
换热器热平衡方程为：
加热蒸汽的流量和汽化热 物料的出口温度 、进口温度
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Qh DH s Qc p (T2 T1 )
G ff ( s) K ff
Tp s 1 Td s 1
过程控制
根据Tp和Td的大小关系，动态前馈控制器的阶跃响应如图。 当Tp>Td时，前馈控制器呈现超前特性； 当Tp<Td时，前馈控制器呈现滞后特性； 当Tp=Td时，前馈控制器呈现比例特性，即为静态前馈增益；
前馈控制器的阶跃响应
过程控制
3、前馈－反馈复合控制系统
既发挥了前馈作用，可及时克服主要扰动对被控量影响的 优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点，同时也 降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上易于实现。 由一个反馈回路和一个开环补偿回路叠加而成的复合系统
过程控制
+ 蒸汽 T2C
FffC
FffT D， pd T2T
从前馈补偿作用原理看出，调节器的作用对输 出y(t)的影响和扰动作用对y(t)的影响是相反的。
系统的传递函数为：
过程控制
T ( s) Y ( s) Gd ( s) G ff ( s)G p ( s) Q( s ) D( s )
系统对扰动Q(s)实现完全补偿的条件是：
Q(s) 0
T ( s) 0
过程控制
4、前馈与反馈控制的比较
反馈控制 设计原理 被测变量 控制器输入 控制规律的实现 控制系统组态 典型控制器 反馈控制理论 被控变量 测量和设定之间的偏差 可以和经济 闭环 P,PI,PD,PID及开关 前馈控制 不变性原理 扰动量 被测扰动量 有时只能近似 开环 超前－滞后环节
控制作用
在过程受扰动的影响以前
过程控制
2、动态前馈控制
F(s) Gff(s) Gd(s)
Y(s) Gp(s)
根据不变性原理，可得：
Gd ( s) G ff ( s) G p ( s)
过程控制
设前馈广义对象和扰动通道传递函数分别为：
G p ( s)
Kp Tp s 1
e
p s
K d d s , Gd ( s) e Td s 1
也可根据图中前馈控 制器 环节的输入输 出关系计算得：
D c p K ff (T2 T1 ) Q H s
过程控制
对于上述换热器的例子，设f为流量Q的扰动。若已知：
K d d s Gd ( s ) e , Kd 0 Td s 1 G p ( s) Kp Tp s 1 e
Gd ( s) G ffc ( s) G ffm ( s)Gv ( s)G p ( s)
另一种结构中，
Y ( s) Gd ( s) G ffm ( s)G ffc ( s)Gc ( s)Gv ( s)G p ( s) D( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G p ( s)Gm ( s)
过程控制
2、反馈控制的特点
蒸汽
D，pd
T2C T2T
T1，Q 冷物料
热物料 换热器
冷凝水
系统工作原理
换热器温度的反馈控制
主要干扰：加热物料的流量、温度、调节阀前的蒸汽压力等，最 主要的是加热的物料流量Q。
过程控制
反馈的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差 出现，也就没有控制作用了。 无论扰动发生在哪里，总有等到引起被控量发生偏差后， 调节器才动作，故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生， 是一种“不及时”的控制。 反馈控制系统，因构成闭环，故存在一个稳定性的问题。即 使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定， 仍然需要作进一步的分析。 引起被控量发生偏差的扰动，均被包围在闭环内，故反馈控 制可消除多种扰动对被控量的影响。 反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、PI、PD、 PID等典型规律。
过程控制
3、前馈控制的特点
如根据被加热的物料流量Q的变化信号，通过一个扰 动补偿器来控制调节阀，就不必等待流量变化后反映到出 口温度以后再去进行操作，而是根据流量的变化，立即对 调节阀进行操作，甚至可以在出口温度还没有变化前就及 时对流量的扰动补偿。
过程控制
前馈控制的特点
热物料温度降低 热物料温度不变
－
Gm(s)
前馈－反馈控制系统方框图2
前馈信号接在反馈控制信号之前
过程控制
Y ( s) Gd ( s) G ffm ( s )G ffc ( s )Gv ( s)G p ( s) D( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G p ( s)Gm ( s)
实现前馈作用的完全补偿的条件不变 ，即
热物料 冷物料 T1，Q 换热器 冷凝水 换热器的前馈－反馈控制
过程控制
D(s) Gffc(s) Gffm(s) Gd(s) Y(s) Gc(s) Gv(s) Gp(s)
－
Gm(s)
前馈－反馈控制系统方框图1
前馈信号接在反馈控制信号之后
过程控制
D(s) Gffc(s) Gffm(s) Gd(s) Y(s) Gc(s) Gv(s) Gp(s)
过程控制
Y1(s)
－
－
Gm2(s) Gm1(s)
前馈－串级控制系统方框图
在串级控制系统中，当副回路的工作频率远大于主回路的工作 频率时，副回路可近似为1:1环节，前馈控制器的补偿条件为：
过程控制
• 两个传递通道：
从扰动通过对象的扰动通道去影响输出 从扰动通过前馈调节器、对象的调节通道去影 响输出 • 调节作用和扰动作用对被控量的影响是相反 Gd (s) Y(s) D(s) 的，在一定条件下有可能实现完全补偿。
G ff (s)
G p ( s)
过程控制
Y(t)
扰动作用
t
调节作用
△Q
绝对不变性 调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零 是一种理想的控制标准。
过程控制
误差不变性 实际上是指准确度有一定限制的不变性，或说与绝对不变性 存在一定误差的不变性，又称为不变性，可表示为： 当fi(t)0时，|y(t)|<，i=1,2,…n
稳态不变性 被调量的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零 选择不变性 不变性原理是前馈控制的理论基础
冷物料流量增加
热物料温度升高
过程控制
蒸汽 FffC D，pd