第8章 前馈-反馈复合控制系统分析与设计 [兼容模式]

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前馈控制（Feed-Forward 前馈控制（Feed Forward Control）
完全补偿条件
Gd (s ) G ff (s )= ) K z (s )
Y (s) [G ff ( s ) K z ( s ) - Gd ( s )]G p ( s ) D( s)
1 给水流量W 扰动下的水位变化特性 1.
H(s) T W(s) s 1 Ts s(1 Ts)
其中：ε 为飞升速度
非沸腾式省煤器 T2 沸腾式省煤器
T1
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T2=30~100s T1=100~200s
H ( s ) s e W ( s) s
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1.为什么说前馈作用的加入对系统的稳定性
没有影响？
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§8.3 三冲量给水控制系统
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给水控制的任务
1 维持汽包水位 1.
过高：蒸汽带水管壁和叶片结垢汽机叶片损坏 过低：爆管干锅
2. 保持给水量稳定 2
给水量的剧烈波动对省煤器和给水管道不利。
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第八章 前馈-反馈复合控制系统 分析与设计
《热工自动控制系统》
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第八章 前馈-反馈复合控制系统分析与设计 前馈 反馈复合控制系统分析与设计
8.1 8 1 前馈控制系统的组成及特点 8.2 8 2 前馈-反馈复合控制系统特性分析 前馈 反馈复合控制系统特性分析 8.3 三冲量给水控制系统
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§8.1 前馈控制系统的组成及特点
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反馈控制的“两段时间”
Gd Gc Kz H
D
Y0
Gp
Y
☆第一段时间：干扰产生 第 时间 产生被控量变化 被控 变 ☆第二段时间： 第二段时间：被控量变化 被控量变化执行器动作
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反馈控制的特点
1. 反馈控制是 反馈控制是一种具有很强鲁棒性的控制策略. 种具有很强鲁棒性的控制策略. •过程的性质决定了控制的效果 •调整参数( , TI , TD)均是过程动态特性的函数 2. 反馈控制本质上是一种误差驱动的控制系统 •控制策略是根据可测误差来产生控制作用 •没有动态误差的控制不是反馈控制 3. 反馈控制是一种闭环控制 4. 反馈控制的原则是尝试法, 无需数学模型 •控制器不能事先计算出准确的控制输出 •是一种初级的控制算法 是 种初级的控制算法
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（三)
串级三冲量给水控制系统
结构图和方框图 工作原理 及 冲量 调节器参数整定步骤
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串级三冲量给水控制系统
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1 结构图和方框图 1.
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2. 工作原理及冲量
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3 调节器参数整定步骤 3.
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4. 参数整定----外回路的整定
等效比例带：w
w
* 外 w w
被控对象：Wh(s)
外
w w
外 w w
* 外
从内外回路比例带看，w 对内外回路影响相反，若w 增大， 外回路稳定性增强，内回路减弱。故应使 和w 相应变化， 保持两者比值不变,以保证内回路的稳定性。
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双冲量给水控制系统
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双冲量给水控制系统
前馈作用快速补偿了由于蒸汽流量变化引起的 虚假水位 现象。 “虚假水位”现象。
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第七章 前馈-反馈控制系统分析与设计
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三冲量给水控制系统
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三冲量给水控制系统 (单级)
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特点比较：
前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制 抑制干扰，前馈控制比反馈控制及时有效 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控 制系统 前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控 制器，反馈控制采用通用PID控制器 一种前馈控制只能克服一种干扰，反馈控制只用 个控制器就可克服多个干扰 一个控制器就可克服多个干扰
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单级和串级三冲量给水控制系统
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单级
串级
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（二） 单级三冲量给水控制系统
结构图和方框图 工作原理 及 冲量 静态配合 参数整定 调节器参数整定步骤
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单级三冲量给水控制系统
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1. 结构图和方框图
PID控制器接受三个信号：H 、 D 、 W
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2 工作原理 2.
PID 控制器接受三个信号：H 、 D 、 W D 信号主要作用：前馈信号 直接克服虚假水位的影响。
W 信号主要作用：反馈信号 信号主要作用 反馈信号
克服因给水阀自发扰动对 H(t)的影响，并保持稳定 可以增强调节过程的稳定性（使阀门动作不过调）
D D
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4 参数整定 4.
内回路整定 外回路的整定 αD 值的整定
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4 参数整定----内回路整定 4.
(1) 把调节器、分流系数除外的环节视为广义调节 对象W内，则 则W内为近似比例环节，故 为近似比例环节 故 和Ti可取得 很小。 一般 Ti ≤ 10s 。可试凑 。 (2) 先设定w ，找合适的 (3) 再改变w时，使 w / 不变，保证内回路开环放 大系数不变
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4 参数整定---- αD 值的整定 4.
按无静差要求，整定 αD 值
w w WD ( s ) D D Wh ( s )
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5 调节器参数整定步骤 5.
（1）按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求， ）按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求 用试凑法整定内回路PI调节器的比例带值 δ/αw和积分时间Ti。 （2）根据水位在内扰时的动态特性Wh（s）， ） 整定外回路等效调节器的比例带δ外，即确定αw， 此时，要保证已整定好的δ/αw比值不变。 （3）根据无静差要求，整定αD值，使 αwγW=αDγD（忽略排污）。
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思考题8-1：
1.若前馈控制系统的结构为：
想要完全消除扰动影响 前馈控制器应如何 想要完全消除扰动影响，前馈控制器应如何 选取？前提是什么？
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§8.2 前馈-反馈复合控制系统 特性分析
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前馈—反馈控制系统 前馈 反馈控制系统 要保证控制系统的控制品质、抗干扰 能力，有必要把前馈控制和反馈控制结合 起来，通过优势互补，提高控制系统的整 起来，通过优势 补，提高控制系统的整 体性能。
“虚假水位 虚假水位” ”现象 燃烧率先于蒸汽量变化
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二 给水控制的基本方案 二、给水控制的基本方案
（一）单冲量、双冲量、三冲量 ）单冲 双冲 冲 （二）单级三冲量给水控制系统 （三）串级三冲量给水控制系统
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单冲量给水控制系统
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前馈—反馈复合控制的特点 前馈 反馈复合控制的特点 1 引入反馈控制后，前馈控制的补偿条件不变 1. 引入反馈控制后 前馈控制的补偿条件不变
Gd (s ) G ff (s )= K z (s )
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前馈—反馈复合控制的特点 前馈 反馈复合控制的特点 2 前馈控制器的形式与前馈作用的位置有关 2.
忽略排污，则D = W
γh H -Kg Hg = α γ D - αw γw W
D D
γh H–Kg Hg = (α γ –αw γw )D
D D
设定 Kg 使在额定负荷 D=D0时
H=Hg γh Hg–Kg Hg =(α γ –αw γw )D0
D D
H - Hg = (α γ –αw γw )(D – D0)/ γh
=0
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前馈控制的特点 干扰一旦出现，调节器直接根据检测到 的干扰的大小和方向按 定规律进行控制 的干扰的大小和方向按一定规律进行控制。 显然，干扰发生后，被控制量发生变化 干扰发生后，被控制量发生变化 前 控制作用就产生了 节省了反馈控制的 前，控制作用就产生了，节省了反馈控制的 前，控制作用就产生了 “两段时间”，控制作用及时。
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前馈控制的局限性
Hale Waihona Puke 前馈控制属于开环控制，抗干扰能力差； 工业对象扰动多，无法一一设计前馈控制器； 控制通道迟延过大时无法实现完全补偿； 扰动作用很难精确测量。 扰动作用很难精确测量 完全补偿条件往往无法得到满足！
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前馈控制的应用场合

系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的
干扰 这些干扰对被控参数影响显著 单用反馈控制 干扰，这些干扰对被控参数影响显著，单用反馈控制 达不到质量要求时。

当控制系统的控制通道滞后时间较长 由于反馈控制 当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制
不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈 反馈控 不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控 制系统 。
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第七章 前馈-反馈控制系统分析与设计
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单冲量给水控制系统
优点：结构简单，运行可靠 适用：蒸汽量、给水量测不准时（低负荷）；负 适用：蒸汽量 给水量测不准时（低负荷）；负 荷变化不大、控制质量要求不高的小容量机组。