过程控制及系统2

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6.2 前馈控制系统

前馈控制系统的参数整定： 前馈控制器的参数取决于对象的控制通道和干 扰通道的特性，虽在设计时对象特性已经确定， 但是由于特性的测试精度、测试工况与在线运 行的情况不同，为此必须对前馈控制系统要进 行在线整定。 T1s 1 Kf 以最常用的前馈补偿器模型 T2 s 1 为例讨 论静态特性参数和动态参数的整定。
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6.2 前馈控制系统
反馈控制系统的优缺点：


优点：反馈控制是按照偏差来控制的，不论是什么 干扰引起被控量的变化，控制器均可根据偏差来进 行控制。 缺点：由于对象总存在一定的滞后惯性，从扰动作 用出现到形成偏差需要时间；从偏差产生到偏差信 号遍历整个反馈环路产生控制作用去抵消干扰作用 的影响又需要时间。即控制作用总是不及时的，反 馈控制无法将扰动克服在被控量偏离其给定值之前， 限制了控制质量的进一步提高。 反馈控制系统构成一闭环系统，信号的传递要经 过闭环中的所有贮能元件，因而包含着内在的不稳 定因素。 3

6.2 前馈控制系统

闭环整定法：
S
F(s) Kf
GL (s)
+ X(s) + Y(s)
# 让系统处 于前馈－反 馈运行状态 整定Kf;
# 让系统处 于反馈运行 状态整定Kf
GC (s)
+
GV (s)
G0 (s)
+
Kf闭环整定法系统框图
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6.2 前馈控制系统
#
前馈－反馈运行状态整定kf： 图中开关S闭合使系统处于前馈－反馈运行状态。 在反馈控制已经整定好的基础上，施加相同的干扰 作用，由小到大逐步改变Kf值，直到获得满意的补偿 过程。 Kf值对补偿过程的影响:
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6.2 前馈控制系统
前馈控制的局限性：
如果前馈控制装置能精确实现 传递函数，那 么扰动对被控量的影响将等于零，实现 了完全不变性原理。
GL ( s ) GB ( s ) G0 ( s )
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6.2 前馈控制系统
前馈控制的局限性在于： 实现完全补偿在很多情况下只有理论意义， 实际上做不到； 在工业对象中扰动的因素很多，不可能对每个 扰动加一套前馈控制装置去一一补偿；只是选 择一两个主要干扰予以补偿。 将前馈控制与反馈控制结合起来，取长补短，构 成复合控制系统。
6.2 前馈控制系统
控制通道的传递函数为： k0 e s G0 ( s) T0 s 1
0
若 1 0，则动态前馈的控制规 律为 GL ( s ) K L T0 s 1 GB ( s ) G0 ( s ) K 0 TL s 1 T 0s 1 T1 s 1 K f K f TL s 1 T2 s 1
式中的负号表示控制作用与干扰作用的方向相反。
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6.2 前馈控制系统
前馈控制系统的形式：

静态前馈：当干扰通道和控制通道的 动态特性相同时：
GL ( s ) GB ( s ) K f G0 ( s ) 是一个比例环节 , K f 称为静态前馈系数 是前馈的一种特殊形式 静态前馈的控制规律用 比例控制 或比值控制
若要求实现完全不变性 ，则第二项为零
若当干扰存在时，实现 误差不变性。 则：GL ( s) GB ( s)GV ( s)G0 ( s) ( s) 于是前馈－反馈控制系 统的扰动对输 ( s ) 出的影响为： Y ' ( s ) F ( s) 1 GC ( s)GV ( s)G0 ( s) ＋
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6.2 前馈控制系统
#
反馈运行状态整定kf： 图中开关S断开，使系统处于反馈运行状态， 待系统运行稳定后，记下干扰量变送器的输出 电流（或气压）信号Id0和反馈控制器的输出稳 定值Ic0，然后对扰动f施加一个增量Δf,待反馈 控制系统在Δf的作用下被控量重新回到设定 值时，重新记下干扰量变送器的输出值Id及反 馈控制器输出Ic值，则前馈控制器的静态放大 Ic Ic0 系数： Kf Id Id 0

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6.2 前馈控制系统
前馈－反馈控制：
将前馈与反馈控制结合起来构成前馈 －反馈控制系统。 特点： 既发挥了前馈控制及时的优点，又保 证了反馈控制能克服多个扰动和具有对 被控量实行反馈检验的长处。前馈－反 馈控制是适合于过程控制的较好方式。
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6.2 前馈控制系统

前馈－反馈控制系统方框图 f 前馈补偿
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6.2 前馈控制系统

动态前馈： 要求前馈控制的输出不仅是干扰量的函 数，而且也是时间的函数。 根据不变性原理，前馈控制的控制规律 G ( s) 为： G ( s)
L B
G0 ( s )
若设对象干扰通道的传 递函数为： k L e s GL ( s ) TL s 1
1
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6.2 前馈控制系统
根据校正作用在时间上的超前或滞后，可以决定 的T1、T2数值。 因：当T1过大（或T2过小）时，由于过补偿而使 过渡过程曲线反向超调过高，甚至达到不能允许 的地步。所以从生产安全角度出发，前馈控制器 的动态参数应从欠补偿开始，按过渡过程曲线变 化的趋势，逐次试凑逼近。 T1 2 可以：在初次实验时，取 T2 (超前） 或T1 / T2 0.5 (滞后）的数值进行，施加干扰，观察补 偿过程。首先调整T1和T2使补偿过程曲线达到上 下偏差面积相等，然后再调整T1与T2的比值，直 到获得平坦的补偿过程曲线为止。
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6.2 前馈控制系统
反馈控制系统中：信号的传递形成一个闭环系 统；有稳定性问题。 前馈控制中：则是一个开环系统，因输出的被 控量不反过来影响补偿器的输出；不存在稳定 性问题；补偿量的设计主要考虑取得最好的补 偿效果。理想情况下，把补偿器设计成能达到 完全补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下， 被控量始终保持不变，这样实现了不变性原理。
...
U(s)
y(s)
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6.2 前馈控制系统
几种不变性： 绝对不变性： 指对象在扰动作用下，被控量y(t)在整个过渡 过程中始终保持不变，即调节过程的动态偏差 与静态偏差均为零。 误差不变性： 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ε的不变性，又称为ε不变性。
当Di (t ) 0时，(t ) y
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6.2 前馈控制系统
前馈－反馈控制系统的特征方程：
1 G0 ( s )GV ( s )Gc ( s ) 0 由此可见： 特征方程与前馈补偿器 GB ( s )无关； 与按误差控制的单回路 控制系统的特征 方程是一样的。 说明加不加前馈补偿不 影响系统的稳定性。
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6.2 前馈控制系统
6.2 前馈控制系统
不变性原理：
控制理论中提出的不变性原理在各种特殊 调节规律的发展中得到了较充分的应用。 不变性原理：是指控制系统的被控量与 扰动量绝对无关或者在一定准确度下无 D (s) D (s) D (s) 关，也即被控量完全独立或基本独立。
1 2 n ...
当Di (t ) 0时，则y(t ) 0 即y(t )与Di (t )无关
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6.2 前馈控制系统
根据TO TL 和TO TL , 以上规律 可实现超前补偿或滞后 补偿
当 1 0时，则： T0 s 1 ( GL ( s ) GB ( s ) K f e G0 ( s ) TL s 1
1 0 )s
T0 s 1 s T1 s 1 s K f e K f e TL s 1 T2 s 1
器 + 调节阀 对象
X + -
控制器
y 被控量
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6.2 前馈控制系统
F(s)
GB (s ) GL (s )
+ X(s) + Y(s)
GC (s )
+
GV (s )
G0 ( s )
+
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6.2 前馈控制系统
Y (s) G0 ( s )GV ( s )GC ( s ) X (s) 1 G0 ( s )GV ( s )GC ( s ) GL ( s ) GB ( s )GV ( s )G0 ( s ) F (s) 1 G0 ( s )GV ( s )GC ( s )
f 测量装置
p 补偿器
q 对象
y 被控量
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6.2 前馈控制系统
扰动作用到被控量y之间存在两个传输通道： 干扰通过干扰通道进入系统影响被控量； 干扰通过测量装置和补偿器产生调节作用， 再经过对象的控制通道影响被控量。 控制作用与干扰作用对被控量的影响是相反 的。于是在一定的条件下有可能使补偿通道的 作用很好地抵消扰动对被控量的影响，使被控 量不随扰动变化。 实现补偿的条件：要十分精确的测出扰动量和 知道对象的动态特性。
第六章 常用高性能控制系统
主讲：孙鑫
Email:xsun@
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第七章 复杂控制系统




提 要 串级控制系统： 串级控制系统的组成、工作过程、特点、应 用范围、设计、控制器的选型和参数整定 比值控制系统： 比值控制系统的组成原理、比值控制系统的设 计和控制器参数的整定 均匀控制系统 前馈控制系统 自治控制系统
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6.2 前馈控制系统

K f 的整定 :
开环整定法： K 是在系统作单纯的静态前馈运行下施加干扰， f 值由小逐步增大，直到被控量回到设定值，此时 所对应的 K f 值可视为最佳整定值。 注意： 整定时，力求工况稳定以减少其他扰动量对被 控量的影响，否则Kf的整定值将有较大的误差。 整定过程中， Kf由小逐步增大，以避免Kf过大 导致被控量产生较大的偏差，甚至发生事故。 此法缺点： 容易影响生产的正常进行，在实际 生产过程中应用较少。 29