前馈控制比值

满足输出绝对不变性的前馈控制器是由系统对 象的扰动通道特性和控制通道特性决定。
前馈控制器有两种形式：静态、动态 1、静态前馈控制器
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S ) 满足稳态不变性，取t->∞(即s->0)的值。即只 取其通道增益。有：
W ff ( S ) K f / K o K ff 其中 : K f 是W f ( S )的增益
动态前馈控制器P69 （g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、 T1、RF对系统输出T2的通道特 性的动态部分。）
凝液
sp RV 1
Kv
RF (T2sp T1 )
前馈控制与反馈控制的比较
前馈控制 反馈控制 扰动可测，但不要求被控量可测 被控量直接可测 超前调节，可实现系统输出的不 按偏差控制，存在偏差才能调节 变性（但存在可实现问题） （滞后调节） 开环调节，无稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 闭环调节，存在稳定性问题 系统可感受所有影响输出的扰动
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
不变性

稳态不变性：在扰动作用下，稳态时被控变 量的偏差为0。如静态前馈。与误差不变性相 结合，既能消除静态偏差，又能满足工艺上 对动态偏差的要求。
y1(t)
系统输出y(t) y2(t)
线性前馈控制方块图
D (t) 干扰通道 GYD (s)
＋
开环
＋
测量变送 GDM (s)
4.一种前馈作用只能克服一种干扰
GDM (s)GYC (s)
反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。
N(s)
Wf(S) Wff(S) Wo(S)
Y1(s)
+ Y(s) +
Y2(s)

根据框图，有：
Y ( S ) W f ( S ) N ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) N ( S ) Y (S ) W f ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) N (S )


4选择不变性：对若干个干扰选择其中几个主 要干扰实现不变性补偿。
不变性
N


绝对不变性： 在扰动作用下，被控变 量在整个过渡过程始终 保持不变，即控制过程 的动态和静态偏差均为0
ΔN
t
y1(t)
y t
y2(t)
不变性

误差不变性（ ε不变性）：在扰动作用下，被 控变量的波动小于一很小的值。工程上有现实 意义。
系统输出
动态前馈要 补偿的面积
前馈补偿
动态前馈控制器：W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯 性环节。
W f (S ) Kf 1 Tf s e
f s
K o o s Wo ( S ) e 1 To s K f 1 To s ( f o ) s 则 : W ff ( S ) e Ko 1 Tf s
动态前馈控制的可实现性
RF (t) 干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s)
SP 前馈控制器 RV (t) GFF (s)
RFm (t)
＋
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
QC ( s) C s K DM QD ( s) D s GYD ( s) e , GDM ( s) , GYC ( s) e PD ( s) TDM s 1 PC ( s)
不变性：干扰不为0时，被控变量的变化始终为0
不变性

1绝对不变性：在扰动作用下，被控变量在整 个过渡过程始终保持不变，即控制过程的动态 和静态偏差均为0。

2误差不变性：在扰动作用下，被控变量的波 动小于一很小的值。工程上有现实意义。
3稳态不变性：在扰动作用下，稳态时被控变 量的偏差为0。如静态前馈。与误差不变性相 结合，既能消除静态偏差，又能满足工艺上对 动态偏差的要求。
GYD ( s) QFF ( s) ( D C ) s GFF ( s) e GYC ( s)GDM ( s) PFF ( s)
QFF (s) TDM s 1QD (s) P (s), PFF (s) K DM PD (s)QC (s) C
可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） 动态前馈为纯迟延,可实现；
前馈控制系统的 补偿过程
前馈控制
反馈控制的依据是被控变量与给定值的偏差， 检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在 偏差出现以后。
前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是 干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作 用的瞬间而不需等到偏差出现之后。
前馈控制
2.前馈控制是属于“开环”控制系统 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制 是一个“开环”控制系统。 反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反 馈获得检验，而前馈控制其控制效果并不通过反馈来 加以检验。要想综合一个合适的前馈控制作用，必须 对被控对象的特性作深入的研究和彻底的了解。
D C
不满足条件时怎么办？
动态前馈控制的可实现性
若条件（2）不满足， D
可人为令 可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） D C
D C
C 动态前馈为纯提前（Q、P抵消时）,不可实现。
由此可得：在选择控制通
道。 道时应选择纯迟延短的通
若条件（1）不满足，可令TDM = 0。 而一般GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统 中常用的动态前馈控制器为
前馈控制
3.前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器 一般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制 器，而前馈控制要采用专用前馈控制器。前馈控制器 的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。 对于不同的对象特性，就应该设计具有不同控制规律 的控制器。 GYD ( s)
GFF ( s)
T2 s 1 FF s GFF ( s) K FF e T1s 1
举例：换热器的前馈控制
RVm RVsp
FC
蒸汽 HV, RV 工艺介 质
稳态工作点：T1=20℃， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180℃。 假设：T2温度测量变送的量 程为100-300℃，RV和RF的 量程分别为0 ~ 5 T/hr和0 ~ 25 T/hr。
6.3s 1 % GFF ( s) 0.975 exp 0.3s 3s 1 %
线性前馈控制的仿真
有余 差
非线性稳态前馈控制
T2sp 非线性 FFC T1 RVsp
FC
RVm
蒸汽 HV, RV 工艺介 质 T2
稳态平衡关系：
RF
c p RF (T2 T1 ) HV RV
对于干扰与控制通道的动态模型，对通道模型要求弱，大多数情况 要求已知而且准确 无需对象模型
sp RV 1
cp, RF , T1 凝液
Kv
RF (T2sp T1 ) ,
静态前馈控制P68
热交换器是应用前馈控制较多的场合， 换热器有滞后大、时间常数大、反应慢 的特性，前馈控制就是针对这种对象特 性设计的，故能很好发挥作用。
K v HV / c p
蒸汽汽化潜热 物料比热容
非线性系统的动态前馈补偿
对于线性系统，动态补偿算法为
GFF ( s ) GYD ( s ) GYC ( s ) K YD K YC gYD ( s ) gYC ( s )
gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：
GFF (s) K FF g FF (s)
T2
假设主要干扰为RF，T1
单回路控制的仿真
换热器的前馈控制方案
蒸汽 FF
HV, RV
工艺 介质
RF
cp, RF , T1
凝液
T2
前馈控制的思想
D1
前馈控制器
Dn
u
对象
y
D1，……，Dn为 可测扰动；u，y 分别为被控对象 的操作变量与受 控变量。
前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作 变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。 前馈控制是基于不变性原理工作的， 比反馈控制及时、有效
Dm (t)
前馈控制器 GFF (s)
u(t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
ym (t)
满足输出绝对不变性的前馈控制器 是由系统对象的扰动通道特性和控 制通道特性决定。 当对象通道特性比较复杂时,前馈 控制器复杂,难以实现。所以满足 绝对不变性的前馈控制器实现条件 比较复杂。 满足稳态不变性前馈控制器实现结 构简单,且稳态误差为0。静态前
采用阶跃响应方法测试各个环节的传递函数模型：
KD 7.8 GYD ( s) exp D s exp 0.5s TD s 1 3s 1 KM 2.0 GYC (s) exp M s exp 0.2s TM s 1 6.3s 1 % GDM ( s ) K DT 4.0 T / hr
过程控制工程
第四章 前馈控制和比值控制
问题
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
T2
1、如果加热蒸汽 压力波动导致 单回路控制效 果不理想，怎 么办？ 2、如果工艺介质 流量波动导致 控制效果不理 想，怎么办？
换热器的反馈控制
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
非线性动态前馈控制器
可在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节 或微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。
T2sp
＋
∑
× g 3 (s) g1 ( s) RF
kv
RVsp
T2sp 非线性 FFC T1 RVsp
FC
－
g 2 ( s) g1 ( s)
RVmБайду номын сангаас
蒸汽 HV, RV 工艺介 质 T2
RF
T1
cp, RF , T1
K FF K YD K YC ,
g FF ( s )
gYD ( s )
gYC ( s )
对于非线性系统，上式中静态 前馈部分可由对象的非线性静 态模型计算得到，而动态部分 同样可按线性对象处理。
动态前馈补偿的一般形式为
T1s 1 g FF ( s) exp( s) T2 s 1

则根据绝对不变性原理：
N ( S ) 0, Y ( S ) 0 即 : W f ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) 0

满足输出绝对不变性前馈控制器：
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
W ff ( S )：前馈控制器传函(包含测量环节） W f ( S )：扰动通道传函 Wo ( S )：控制通道传函(包含执行器)
扰动N
扰动输出
t->∞ 系统输出
调节输出
K o是Wo ( S )的增益 静态前馈控制器是一个比例环节。
2、动态前馈控制器
动态前馈 Wff(s)满足绝对 不变性：
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
Wo(s) 扰动N
N Wff(s)
Wf(s)
静态前馈控制
扰动输出
动态过程产生 的偏差
GDM ( s ) K DT % T / hr
% %
干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s) RVSP(t) 前馈控制器 GFF (s)
＋
RFm (t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
换热器的线性前馈控制（续）
K D TM s 1 ( D M ) s GFF ( s) e K DT K M TD s 1
cp, RF , T1 冷凝液
T2
换热器的线性前馈控制
线性前馈 控制器 RVsp
FC
RV
蒸汽
GYD ( s)
T2 m ( s) K D D s e RF (s) TD s 1
% T / hr
RF T1 凝液
RF (t)
工艺 介质 T2
T2 m (s) K M M s GYC (s) e RVsp (s) TM s 1
控制目标：
Y ( s) 0 GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s)GDM ( s) 0 D( s )
GFF ( s)
GYD ( s) GDM (s)GYC (s)
馈控制
前馈控制
1.前馈控制是基于不变性原理工作的， 比反馈控制及时、有效 前馈控制是根据干扰的变化 产生控制作用的。 反馈控制与前馈控制的检测 信号与控制信号有不同的特点：