第八章 前馈反馈复合控制系统分析与设计 [2013]
前馈—反馈复合控制系统
目录课程设计任务书一、前馈—反馈复合控制系统1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念 (3)1.2、概念的理解 (3)1.3、前馈—反馈系统的组成.........................................3—4 1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点.. (4)1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计 (4)二、控制系统的硬件设计2.1、S7—300系统组成 (4)2.2、CPU315—2DP (4)2.3、模式选择开关…………………………………..…….4—52.4、状态及故障显示 (5)三、控制系统的软件设计3.1、硬件组态 (5)3.2、工程管理器的使用 (6)3.3、新建工程....................................................6—9 3.4、组态监控画面. (9)3.5、组态变量……………………………………………9—10 3.6、软件编程…………………………………………..10—153.7、实验结果分析……………………………………….15—17四、控制系统的调试五、实验总结一、前馈—反馈复合控制系统1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念前馈—反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其他的干扰信号，这样的系统就是前馈—反馈复合控制系统。
1.2、概念的理解：（1）复合控制系统是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈、反馈（2）前馈控制系统的作用是对主要的干扰信号进行补偿，可以针对主要干扰信号，设置相应的前馈控制器（3）引入反馈控制，是为了是系统能够克服所有的干扰信号对被调量产生的影响，除了已知的干扰信号以外，系统中还存在其他的干扰信号，这些扰动信号对系统的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们肯本就考虑不到或是无法测量，都通过反馈控制来克服。
（4）系统中需要测量的信号既有被调量又有扰动信号。
前馈控制系统设计的设计
实验名称：前馈控制系统班级：姓名：学号：实验四前馈控制系统一、实验目的（1）通过本实验，了解前馈控制系统的基本结构及工作原理。
（2）掌握前馈控制系统的设计思想和控制器的参数整定方法。
二、实验原理干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的。
前馈控制的原理是给系统附加一个前馈通道（或称前馈控制器），使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。
利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。
前馈控制系统主要特点如下：1) 属于开环控制只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。
但若系统中有一个环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。
另外，系统的控制精度取决于构成控制系统的每一部分的精度，所以对系统各环节精度要求较高。
2) 很强的补偿局限性前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰的影响。
因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。
而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。
因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。
3) 前馈控制反应迅速在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。
当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。
这非常有利于大迟滞系统的控制。
4) 只能用于可测的干扰对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。
按结构，前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。
一个典型的前馈-反馈复合控制系统如图1所示。
前馈-反馈复合控制和前馈-串级复合控制系统的工程整定方法主要有两种：1) 前馈控制和反馈或串级分别整定，确定各自参数，然后组合在一起；2) 首先整定反馈控制系统或串级控制系统，然后再在反馈或串级的基础上引入前馈控制系统，并对前馈控制系统进行整定。
前馈控制系统设计与实验报告
目录一、概述 (2)二、课程设计任务及要求 (2)2.1、控制流程分析 (2)2.1.1目的 (2)2.1.2要求 (2)2.1.3说明 (3)2.1.4流程设计分析 (3)2.2、控制参数估算 (4)2.3、具体前馈控制方案设计 (5)2.4过程仪表选型 (10)2.4.1XMAF5000福光百特智能仪表 (10)2.4.2 电磁流量计········错误!未定义书签。
2.4.3压力液位传感器······错误!未定义书签。
2.5、进行系统仿真 (12)2.6、数据整理、绘图、制表 (18)2.7、总结 (21)一、概述前馈控制系统是一种依据“系统不变性”原理，按照“扰动进行调节”的开环控制系统。
既然是开环，该扰动量必须是可测而不可控的。
所以，该控制系统的作用不能抑制扰动量，只能采用特定的方法补偿扰动对被控参数造成的影响。
显然，根据扰动提前进行补偿的思想是先进的，应该说比被调参数受到扰动、造成偏差后才进行调节要更及时、有效；特别是当控制通道时间常数较大，滞后较大时。
如果补偿设计得当，可以产生很好的效果，但现场不是所有的干扰都可测，并且都可以设计出合适的补偿环节。
前馈控制器是需要用户根据要求进行设计的控制器。
二、课程设计任务及要求2.1、控制流程分析2.1.1目的构建前馈-反馈控制系统，并进行操作和运行该系统，深入理解前馈-反馈控制控制系统的结构与工作原理；了解、掌握前馈-反馈控制系统的投运及整定过程及步骤。
2.1.2要求当外部干扰发生时，通过对可测干扰的补偿，更快地克服干扰的影响，更好地保证被控参数稳定。
控制质量应好于单回路的情况。
2.1.3说明（1）前馈-反馈系统是前馈+反馈控制系统的组合。
（2）本实验中的反馈系统部分为液位单回路控制系统；前馈部分为根据扰动流量设计的补偿环节。
前馈控制系统PPT课件
系统中主要干扰比较多，且对执行器要求严格，可采用前馈-串级控 制系统提高控制效果。
对于无自平衡能力的生产过程，不单独使用前馈控制。
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➢前馈-反馈复合控制系统
Gff
T C
SP
B2
B1
输入X： 冷流体流量F1
输出Y： 热流体出口温度
换热器前馈-反馈复合控制系统
当输入X变化时,通过前馈控制器Gff补偿扰动对输出Y的影响，同时反馈控制回路 反馈其他干扰对输出Y的作用，并通过控制变量进行校正，这两个校正作用叠加，使Y
尽快回到设定值。
Y
-Y 被控变量
前馈控制器是通过测量扰动来消除扰动对被控变量的影响。 当干扰发生时，前馈控制器动作及时，通过前馈调节器改变的量刚好补偿干 扰对对象的影响。 反馈控制属于开环控制，只要系统中各个环节稳定，控制系统必然稳定。 只适合于可测不可控的扰动。
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➢前馈控制与反馈控制的比较
前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制。 对于抑制干扰，前馈比反馈要及时。 前馈属于开环控制系统，反馈属于闭环控制系统。 一种前馈控制只能控制一个干扰，反馈控制只用一个控制器就可以克服 多个干扰。 前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制器采用 通用PID控制器。
基本概念
换热器控制模型
控制要求：热流体出口温度T2稳定
被控变量：热流体出口温度T2
控制变量：蒸汽流量Fs
主要扰动：冷流体流量F1、
冷流体入口温度T1、 冷流体
反馈前馈控制系统设计课题背景描述
反馈前馈控制系统设计课题背景描述背景描述：反馈前馈控制系统是一种常用的控制系统设计方案。
它通过将反馈和前馈两种控制方式结合起来，能够实现更加精确、稳定和灵活的控制效果，被广泛应用于各种机电设备、自动化生产线等领域。
在实际应用中，反馈前馈控制系统的设计需要考虑多方面因素，包括被控对象的特性、控制器的性能要求、信号采集和处理方式等。
因此，如何有效地设计反馈前馈控制系统成为了一个重要的课题。
本文将从以下几个方面进行详细介绍和分析：反馈前馈控制系统的基本原理、设计流程和具体实现方法，以及在实际应用中需要注意的问题和解决方案。
一、反馈前馈控制系统基本原理1. 反馈控制原理反馈控制是指通过测量被控对象输出信号，并与期望输出信号进行比较，得到误差信号后再通过调节输入信号来使误差趋近于零的一种闭环控制方式。
其基本思想是根据被测量物理量与期望值之间的误差来调整控制量，以达到控制目标。
2. 前馈控制原理前馈控制是指在被控对象输入信号中加入一个预测信号，通过提前调节输入信号来消除误差，从而实现更加精确和稳定的控制效果。
其基本思想是在被测量物理量出现变化之前就对其进行预测，并通过预测结果来调整输入信号。
3. 反馈前馈控制原理反馈前馈控制是将反馈和前馈两种控制方式结合起来，通过同时考虑当前状态和未来趋势来实现更加精确、稳定和灵活的控制效果。
其基本思想是根据当前状态和未来趋势对被测量物理量进行预测，并通过反馈和前馈两种方式对输入信号进行调节，以达到最优的控制效果。
二、反馈前馈控制系统设计流程1. 系统建模系统建模是指将被控对象、传感器、执行器等各个部分组成一个完整的数学模型，以便于后续的仿真和分析。
在建模过程中需要考虑到系统的非线性特性、时变特性等因素，以保证模型的准确性和可靠性。
2. 控制器设计控制器设计是指根据系统模型和控制要求，设计出合适的控制算法和参数，以实现对被控对象的精确、稳定和灵活的控制。
在控制器设计过程中需要考虑到系统的动态响应特性、鲁棒性、抗干扰能力等因素。
前馈控制系统共80页
T
检测变送
检测变送
31
前馈控制的选用与稳定性
实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及 不可控性
（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在 线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独 立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的 传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动 量的大小。
8
（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在 线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独 立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的 传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动 量的大小。
9
前馈控制的局限性 完全补偿难以实现：扰动通道和 控制通道的数学模型很难准确求 出；即使求出，工程上难以实现。 只能克服可测不可控的扰动
1
具有滞后特性，适合 于控制通道滞后小于 干扰通道滞后
1
Kf
t
38
实现办法
G ff
(s)
GPD (s) GPC (s)
-K f
T1s 1 1 T2s 1 1
1 s
2
1 s
2
上式中的各环节可以用 标准仪表（标准模块）
实现；也可以用比值器 、加法器和一阶惯性环
节或一阶微分环节实现 ；也可以用计算机程序
GC (s)
GP (s)
e s
Y (s)
经过预估补偿，闭环传递函数特征方 程消去了es，消去了纯滞后对系统控 制品质的影响，系统品质与无纯滞后 完全相同。至于分子中的es仅仅将控
制过程曲线在时间轴上推迟一个。 49
Smith补偿的实现
用近似数学模型模拟纯滞后环节—帕德 一阶和二阶近似式
MATLAB的毕业设计：前馈—反馈复合控制系统
前馈—反馈复合控制系统第一节前馈控制系统的组成在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。
考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。
由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。
按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。
从以上分析我们可以得出如下结论：若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做前馈控制或扰动补偿。
前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明，图中虚线部分表示反馈控制系统。
一定。
当被加换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度1热水流量发生变化时，若蒸汽两不发生变化，而要使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。
这就是一个前馈控制系统。
图中虚线所示是反馈控制的方法，这种方法没有前馈控制及时。
图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。
图中，B k ：测量变送器的变送系数；DZ W (s)：干扰通道对象传递函数；D W (s)：控制通道对象传递函数；B W (s)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。
第二节 前馈控制系统的特点理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。
实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然B W (s)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。
换热器复合控制--
西华大学课程设计说明书课程设计名称：过程控制系统应用系统课程设计题目：换热器前馈-反馈复合控制系统设计学生姓名：唐梓晞专业：电气工程与自动化学号：312011*********指导教师：侯思颖日期：年月日成绩换热器前馈-反馈复合控制系统设计摘要：使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。
换热设备广泛应用于炼油、化工、轻工、制药、机械、食品、加工、动力以及原子能工业部门当中。
随着时代的发展进步，工业生产对设备的要求的提高，单回路的已经不能满足社会发展的需求。
本设计通过对3种方案的比较，选择最优的复合控制系统，前馈——反馈复合控制系统综合了反馈控制和前馈控制的优点，弥补了它们的缺点，因而前馈——反馈复合控制系统得到了广泛的应用。
接着对选择的方案进行具体设计。
最后给出此方案的参数整定结果。
关键词：换热器控制系统参数整定Abstract: the heat from hot to cold fluid fluid transfer device called a heat exchange equipment. Heat exchanger is widely used in Oil refining, chemical industry, light industry, machinery, pharmaceutical, food, processing, power and atomic energy industry sector. With the development of times and progress, requirements for equipment in industrial production increased, the single loop has been unable to meet the needs of social development. Through the comparison of the 3 Schemes for the design, selection of optimal hybrid control system, feedforward feedback compound control system -- combination of feedback controller and feedforward control, make up for their disadvantages, so the feedforward feedback control system -- composite has been widely used. Then the selection scheme for the specific design. Finally, the scheme of parameter tuning results.Keywords: heat exchanger control system parameter setting目录1 前言 (1)2 总体设计方案 (2)2.1 控制方案的论证 (2)2.1.1 方案一：反馈控制系统 (2)2.1.2 前馈控制系统 (3)2.1.3 前馈-反馈复合控制系统 (3)2.2 控制系统的方案比较 (4)2.3 控制系统方案的选择 (5)3 换热器前馈-反馈复合控制系统 (6)3.1 前馈-反馈复合控制分析 (6)3.2 换热器前馈-反馈复合控制系统设计 (7)3.2.1 调节阀的气开,气关方式的选择 (7)3.2.2 调节器的正反作用选择 (7)4换热器前馈-反馈复合控制系统的参数整定 (9)4.1 调节器分析 (9)4.2 复合控制系统整定方法 (10)4.2.1前馈-反馈控制系统整定方法介绍 (10)4.2.2 广义频率特性法 (10)4.2.3 衰减曲线法 (10)4.3 参数整定工具 (11)4.3.1 MATLAB软件的简要知识简介 (11)4.3.2 Simulink的使用 (13)5 系统仿真图 (13)6 设计总结 (17)1 前言换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。
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North China Electric Power University, Fang Fang
单冲量给水控制系统
汽
包 省 煤 器
给 水 流 W量
过热器
D
优点：结构简单，运行可靠
蒸汽流量
H
H0
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1 H
H0 Kz
I/V
H
PI
V/I 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。
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》
第八章 前馈-反馈复合控制系统分析与设计
8.1 前馈控制系统的组成及特点 8.2 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
North China Electric Power University, Fang Fang
双冲量给水控制系统
过热器
汽H
包
省
I/V
煤
器 给
H0
Gc
水
流 W量
V/I
Kz
蒸汽流量 D
I/V
H0
nD
nD
H2
D
GD
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1
H
H1
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。
三冲量给水控制系统
过热器
汽H
包
省
I/V
煤
nW
器 I/V
Gc
W
V/I
Kz
蒸汽流量 D
选取？前提是什么？
North China Electric Power University, Fang Fang
§8.2 前馈-反馈复合控制系统 特性分析
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 体性能。
针对扰动作用的前馈—反馈复合控制
Y (s) D(s)
[G ff
(s)Kz
(s)
- Gd
( s)]G p
(s)
=0
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一定规律进行控制。
显然，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 “两段时间”，控制作用及时。
1
前馈控制的局限性
nD
H2
D
GD
H0
Gc1
u Gc2
Kz
μ
Gp2 W Gp1
H
nW
H3
H1
副回路快速消除内扰； 主回路校正水位偏差； 前馈通路用于补偿外扰。
单级和串级三冲量给水控制系统
PI1
2
North China Electric Power University, Fang Fang
带冲击负荷锅炉的给水控制系统
√ 稳态量
暂态量
1. 给水流量W 扰动下的水位变化特性
H(s) T W(s) s 1Ts s(1Ts)
其中：ε 为飞升速度
非沸腾式省煤器
沸腾式省煤器 T2
T1
T2=30~100s T1=100~200s
H (s) e s W (s) s
2. 蒸汽流量D 扰动下的水位变化特性 H(t) = H1(t)+H2(t) H (s) k2 D(s) (1 T2s) s “虚假水位”现象
2.为什么要将给水流量信号和蒸汽流量信号 引入到给水三冲量控制系统中？
6
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。
完全补偿条件往往无法得到满足！
思考题8-1：
1.若前馈控制系统的结构为：
Gff
D
+ Kz
Gd Gp + + Y
想要完全消除扰动影响，前馈控制器应如何
§8.1 前馈控制系统的组成及特点
反馈控制的“两段时间”
D
Gd
Y0
Gc
Kz
Gp Y
H ☆第一段时间：干扰产生被控量变化 ☆第二段时间：被控量变化执行器动作
前馈控制（Feed-Forward Control）
Gff
D
Gd +
Kz +
Gp Y
完全补偿条件
G
ff
(s)=
Gd Kz
(s) (s)
思考题8-2：
1.为什么说前馈作用的加入对系统的稳定性 没有影响？
§8.3 三冲量给水控制系统
3
给水控制的任务
汽H 包 省 煤 器
给水阀
W 给水流量
过热器 D 蒸汽流量
平衡：给水量蒸发量
水冷壁
M 燃烧率
汽包水位=0
给水控制的任务
1. 维持汽包水位
过高：蒸汽带水管壁和叶片结垢汽机叶片损坏
Gff
D
Gd
Y0
+
Gc
Kz +
Gp Y
H
☆ 重点考虑对扰动作用的抑制和补偿
针对给定值的前馈—反馈复合控制
Gff
D
Y0
+
Gc
Kz
Gp Y
H
☆ 重点考虑对给定值变化的跟踪能力
2
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
G
ff
(s)=
Gd Kz
(s) (s)
Y0
Gc
Gff
nD
H2
D
GD
H0
u
Gc
Kz
μ Gp2 W Gp1
H
nW
1 1 TG s
H3
H1
给水流量信号加惯性环节
带冲击负荷锅炉的给水控制系统
K dTd s 1 Td s H0
nD
u
Gc
Kz
H2
D
GD
μ Gp2 W Gp1
H
nW
1 1 TG s
H3
H1
附加蒸汽流量负微分信号
思考题8-3：
1.何谓“虚假水位”现象？简述其产生的原 因。
I/V
H0
nD
H0
nD
H2
D
GD
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1
H
nW
Hale Waihona Puke H3H1消除给水流量的扰动。
串级三冲量给水控制系统
nD
H2
D
GD
H0
Gc u Kz μ Gp2 W Gp1
H
nW
H3
H1
单级三冲量控制在控制性能和控制器参数整定 方面存在问题，因而广泛采用串级三冲量形式。
5
串级三冲量给水控制系统
D
Gd +
Kz +
Gp Y
H
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
G’ff
G'ff
(s)=
Gc
Gd (s) (s)Kz (s)
D Gd
Y0 +
Gc
Kz +
Gp Y
H
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前馈—反馈复合控制的特点
3. 引入前馈控制后，系统的稳定性不受影响
Gff
D
Gd
Y0
+
Gc
Kz +
Gp Y
H
(s)=1+Gc (s)Kz (s)Gp (s)H (s)
前馈—反馈复合控制的应用原则
1. 若被控对象的惯性和迟延较大，仅采用反 馈控制达不到预期效果时，有必要引入前 馈作用；
2. 如果扰动作用可以测量且经常变化，引入 前馈作用能很好地提高系统的控制品质。
3. 燃烧率M 扰动下的水位变化特性
M
H(t) = H1(t)+H2(t)
H (s) k2 D(s) (1 T2s) s
“虚假水位”现象
燃烧率先于蒸汽量变化
4
小结 ☆“虚假水位”现象 ☆ 汽泡数量和体积的变化
单冲量给水控制系统
冲 量：调节器入口的反馈信号； 单冲量：一个反馈信号进入调节器； 双冲量：两个反馈信号进入调节器； 三冲量：三个反馈信号进入调节器。
过低：爆管干锅
正常范围：±30~50mm 异常情况：±200mm 事故情况：>±350mm
2. 保持给水量稳定
给水量的剧烈波动对省煤器和给水管道不利。
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给水被控对象的动态特性
影响汽包水位的因素： ◇ 锅炉蒸发量 (主蒸汽流量D )； ◇ 给水流量W； ◇ 燃烧率M； △ 汽包压力PD； △ 给水压力PW； △ 汽轮机调节汽门开度μ。