前馈控制比值

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。
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：
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 )
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
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

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
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
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)
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
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
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
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)
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。
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
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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
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；
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)
RVm
蒸汽 HV, RV 工艺介 质 T2
RF
T1
cp, RF , T1
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)

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)


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