§5前馈及复合控制系统
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。
过程控制系统第五章 前馈控制系统
5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制系统框图如图5-3所示。
Wm (s)
F (s)
W0 (s)
Wf (s)
Y (s)
图5-3 前馈控制系统框图
图中， Wm (s)为前馈控制器，传递函数 Wf (s) 为过程扰动通道传递函数；W0(s) 为过程控制通道传递函数；F(s) 为系统可测不可控扰动；Y (s) 为被控参数。
（5-5）
式（5-5）右边第一项是扰动量 F(s) 对被控量Y (s) 的影响，第二项是前馈控制作
用，第三项是反馈控制作用。
5.2 前馈控制系统的结构形式
对图5-5a所示前馈-反馈控制系统，输出对扰动 F(s) 的传递函数为
Y (s) Wf (s) Wm (s)W0 (s) F(s) 1Wc (s)W0 (s)
（5-6）
注意到在单纯前馈控制下，扰动对被控量的影响为
Y (s) F (s)
Wf
(s)
Wm (s)W0 (s)
（5-7）
可见，采用了前馈-反馈控制后，扰动对被控量的影响为原来的 1/ [1Wc (s)W0 (s)] 。 这就证明了反馈回路不仅可以降低对前馈补偿器精度的要求，同时对于工况变动时 所引起的对象非线性特性参数的变化也具有一定的自适应能力。
在过程控制领域中，前馈和反馈是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制 的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1.1 反馈控制的特点
a）原理示意图 图5-1 换热器温度反馈控制系统
图5-1为换热器温度控制系统原理框图。图中，
p
D2为 为热蒸流汽体压温力度；T；T 为1 为温冷度流测体量温变度送；器q；为20流为体热流流量体；温q度D给为定蒸值汽；流量；
第五章前馈控制系统ppt课件
第5章
前馈控制系统
5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制
实验：前馈控制系统实验
5.4 前馈控制系统的应用
什么情况下采用前馈控制：
（1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干 扰进行前馈控制
G(s) K es Ts 1
T1s 1 T2s 1
1 T2s 1
e f s
1
1 2
f
s
1
1 2
f
s
-K
输入
+Σ
+K
1
+
1 2
f
s
1
+Σ
-
输出
5.3 前馈控制系统的实施
输入
K=T1/T2-1
Kf
K
1/(T2s+1)
+
输出 －Σ
+
图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图
t
mf
mf (t) K f [1 ( 1)e ]T1 （输出）
实验：前馈控制系统实验
5.3 前馈控制系统的实施
前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的 传递函数
工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多， 不利于实施
工业应用希望控制规律能具有一定的通用性， 便于控制实施（特别是仪表）
5.3 前馈控制系统的实施
一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似,如：
同样对于上述换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定， 无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥
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
过程控制工程第5章前馈控制系统讲义
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
RVsp
RV
FC
蒸汽
－ T1
T2
凝液
工艺 介质
特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。
换热器反馈控制系统举例
换热器前馈反馈控制系统 #1
换热器前馈反馈控制系统 #2
结论
引入前馈控制的可能应用场合：
（1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重， 常规反馈控制系统难以满足要求。
RVsp
FC
前馈 控制器 T1
RV
蒸汽
c p RF (T2 T1 ) HV RV
R 1
sp V
RF
工艺 介质 T2 凝液
Kv
RF (T T1 ) ,
sp 2
K v HV / c p
前馈控制的动态补偿
d(t) GYD (s) GFF (s) u(t) GYC (s)
＋ ＋
y(t)
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
对时变与非线性对象的适应性弱
对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强
换热器的前馈反馈控制方案1
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
∑
RVsp
RV
FC
蒸汽
－ T1
T2
工艺 介质 凝液
换热器的前馈反馈控制方案2
换热器的控制方案(续)
蒸 汽 载 热 体 TC
TC
工艺 介质 凝液
换热器的控制方案(续)
扰动 RF (t), Ti (t) 热交换器 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 T(t)
前馈及复合控制
前馈及复合控制一、前馈及复合控制的基本概念在前面讨论的控制系统中，控制器都是按被控参数或其反馈值与给定值的偏差大小进行控制的，这种控制系统称为反馈控制系统.对于反馈控制系统无论是什么干扰引起被控参数的变化，控制器均可根据偏差进行调节，这是其优点；但从干扰产生到被控量发生变化以及偏差产生到控制作用产生，再由控制量改变到被控量发生变化,都需要一定的时间，所以控制总是落后于干扰作用。
由于反馈控制的作用机理决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前.因此，对一些滞后较大的对象来说，控制作用总是不及时，从而限制了控制质量的提高.为了解决上述问题，可以采用按扰动直接进行控制，即当扰动一出现，控制器就直接按扰动的性质和大小,以一定规律进行控制，可使被控量还未变化之前,就克服干扰对系统的影响，从而使控制作用提前和控制精度进一步提高。
这种按干扰进行控制的方式称为前馈控制。
图7—16 换热器出口温度控制加热蒸汽通过换热器中排管的周围，把热量传给排管内的被加热物料,物料的出口温度T由蒸汽管路上的控制阀调节。
假设被加热物料的进料流量Q变化是影响被控制量出口温度T的主要扰动。
若采用反馈控制见图7-16 a）所示。
当物料流量Q发生扰动时,要等到出口温度T变化后，产生偏差,控制器才会动作,经控制阀改变加热蒸汽流量以后，又要经过热交换过程的惯性,才会使T变化。
这样可能使T产生较大的动态误差。
如果采用前馈控制方式,见图7-16 b）所示。
用一个流量检测变送器测取扰动量即被加热物料的流量Q，并将信号送到前馈控制器。
前馈控制器经过一定的运算去调节控制阀，以改变蒸汽流量来补偿进料流量Q变化对被控量T的影响。
只要蒸汽量改变的幅度和动态过程适当，就可以显著地减小或完全补偿由于扰动量的波动所引起的出口温度的波动。
假如进料扰动量为阶跃变化，补偿过程见图7－17所示。
图7—17 前馈控制系统的补偿过程化曲线。
若曲线b与曲线a大小相同,方向相反，则可能实现对扰动量的完全补偿，从而使被控量T与扰动量Q完全无关。
第五章 复合控制系统控制系统
(1)
(2)
•微分先行：式(3)、式(4)。
k c (TI s + 1)e −τs Y( s ) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs ( 3)
2、解决办法
•两塔之 间增设缓冲器 (不适宜)。 •采用均 匀控制系统 (上策)。 3、均匀控制的含义 •是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 、均 匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协 调的系统。
4、均匀控制的特点 •表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变 化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。
四、前馈--串级控制系统
1、方法的提出 •为了保证前馈控制 的精度，常希望控制阀 灵敏、线性等； •采用串级控制系统 可满足以上要求。 2、原理与结构图
3、应用举例：
思考题
1、前馈控制有哪几种主要型式？ 2、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 3、为什么一般不单独使用前馈控制方案？
第六章 大滞后补偿控制
§ 6- 1 克服纯 滞后的 几种常 见方案
6.2
6.3
1、预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，但需 控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 2、采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。 3、改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 4、其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
第七章 实现特殊要求 2 3 4 的过程控制系统
一、概述
§7-1 比值控制系统
第 5章 前馈控制系统
( S ) G PC ( S )
1 G C ( S ) G PC ( S )
应用不变性条件：
F ( S ) 0, 0
可推导出前馈控制器的传递函数：
G PD ( S ) G G
ff ff
( S ) G PC ( S ) 0
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
F c p ( 1 2 ) F S h S
FS
Gff Mff
F
θ
2
θ
1
F c p ( 1 2 ) F S h S
Cp—物料的比热容 hs—蒸气的汽化潜热
FS F cp hS ( 1 i
2
)
由上式可求得，静态前馈控制方程式为：
FS F cp hS ( 1 i
• 本系统不但能通过串级副回路及时克服给 水流量的干扰，而且还能实现对蒸汽负荷 的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等 于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不 变。
5.5 前馈控制系统的参数整定
5.5.1 Kf的整定 5.5.2 T1、T2的整定
5.5.1 Kf的整定
重要性：如果正确的选择Kf，也就能正确地决定阀 位。如果Kf过大，则相当对反馈控制路施加了干扰， 将会输出错误的静态前馈输出。 Kf的整定方法： （1）开环整定方法： 开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单 纯静态前馈状态下，施加干扰， Kf 由小逐步增大， 直到被控变量回到给定值，此时Kf 为最佳值。
一个固定的前馈 模型难以获得良好的 控制品质。为了解决 上述局限性，将前馈 与反馈相结合，构成 前馈—反馈控制系统 （FFC-FBC）
TC Gff θ F Σ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
§5前馈及复合控制系统
基本要求：前馈控制系统的结构、特点和应用场合
1．掌握反馈控制和前馈控制的特点比较
2．掌握前馈控制系统的结构形式
3．掌握前馈控制系统的选用原则
4．了解前馈控制系统控制参数的工程整定
5．了解前馈控制系统的工业应用
§5.1前馈控制的基本概念
一．反馈控制与前馈控制的特点（比较）
以换热器温度控制系统为例
反馈：
（1）基于偏差来消除偏差
（2）不及时，调节器的动作落后于扰动的发生，（检测被调参数） 要等到被控变量发生变化，产生偏差才有控制动作/*才有控制量输出
（3）（稳定性）闭环，（调节效果可通过反馈检验）
（4）可消除多种扰动
（5）调节规律，P，PI，PID等，“通用”
前馈：
（1）基于扰动来消除扰动对被控量的影响
（2）及时，（检测干扰量）
（3）开环
（4）指定性补偿，一种前馈作用只能克服一种干扰
（5）取决于被控对象，专用，取决于干扰通道和调节通道的特性，对象不同，前馈调节器的形式不同，
二．前馈控制器设计
1．不变性原理：即当扰动f（t）≠0时，输出y（t）=0
（1）绝对不变性
过渡过程动态、静态偏差均为零
（2）ε不变性
|y(t)|< ε （f （t ）≠0） （3）稳态不变性
动态偏差不为零，静态偏差为零
)t (y lim ,0)(t =
≠∞
→t f 当
2．前馈控制器传递函数 前馈控制系统框图：
可见：前馈控制器由扰动通道和控制通道的特性决定。
实现不变性的结构
§5.2前馈控制系统的几种结构形式 介绍几种典型的
一．单纯前馈控制系统
可以前面加热器为例，流程图和方框图
1．静态前馈控制系统
依据稳态不变性，只要求稳态时实现对扰动的补偿
K K
K W f
m m -
=-= 比例环节
2．动态前馈控制系统
静态前馈的缺点：存在动态偏差
依据绝对不变性原理，提高动态品质
)
()()(0s W s W s W f m -
= 结构复杂 （4-30）根据不变性原理推出的前馈控制器模型
二．前馈-反馈复合控制系统 1．前馈控制的局限性（缺点） 开环：偏差得不到检测
难以实现完全补偿：（1）扰动通道f W 和控制通道0W 的特性难以完全掌握，且非线性也导致参数变化，而原有的前馈模型不能适应。
（2）前馈模型)(s W m 有时在工程上难以实现。
（3）多个扰动，而前馈，1对1。
2．前馈-反馈复合控制系统 前馈、反馈结合
以加热炉前馈-反馈控制系统为例，认识其流程图和方框图 （1）工艺，
（2）如果采用一般的单回路设计，被控量： 控制量： ；流程图
（3）背景：设进料量经常发生变化，
对比：前面讲过的燃料量发生波动，可采用串级，Now ，原料，如果参照前面的串级控制方案，需要原料流量作为控制参数，但原料是生产负荷，一般不做为控制参数，So ，串级不可行，可采用前馈，HOW?前馈+反馈 （4）画控制流程图 被控量：出口温度θ 控制量：燃料流量B q
设进料流量F q 的波动为主要扰动，针对此扰动进行前馈控制 根据4-13流程图画出方框图：/*这属于第一种*/
这是前馈信号接在反馈控制器之后 （5）方框图
典型的前馈-反馈控制系统方框图，两种，P192
（6）前馈控制器设计
第一种：前馈控制器的设计同单纯前馈控制
虽然加入了反馈，但？见4-32，4-33的推导与单回路比4-34？
第二种：前馈控制器的设计与0W 、f W 和C W 有关 4-35，4-36推导 )
s (W )s (W )s (W )s (W c 0f m -
=
三．前馈-串级复合控制系统 仍以加热炉温度控制系统为例， （1）背景：工艺
（2）设原料流量和燃料流量都波动
（3）考虑：燃料流量波动可采用串级克服，原料流量波动采用前馈克服 （4）流程图P193 主变量：出口温度 副变量：燃料流量B q
前馈控制器输入：原料（进料）流量F q 推知B q 和F q 为两大主要干扰 方框图见P194
∴针对不同情况采用不同的控制系统
§5.3前馈控制系统的选用原则 扰动量的可测及不可控
§5.4前馈控制系统的工程整定
先整定好单回路或串级控制系统部分 近似
控制通道s
e
s T K s W 11)(110τ-+=
扰动通道s
f e
s T K s W 21
)(22τ-+=
前馈控制器s
f m e
s T s T K K s W s W s W )(211
20121
1)
()()(ττ-⋅++⋅
-
=-
=
1．静态参数Km 的确定 （1）整定好PID （2）试Km 的大小 2．动态参数T 1、T 2的确定 （1）先PID 和Km （2）使T 1=T 2
（3）T 1增或T 2减直至过补偿，然后T 1减或T 2增
§5.5前馈控制系统的工业应用
补充：热工模拟对象中单回路反馈控制与前馈-反馈控制的比较 一．仿真结果
1．单纯反馈（无前馈）
Simulink 仿真模型：
10%扰动（出水流量）仿真结果：
2．前馈-反馈控制Simulink仿真模型：
Km=0.8时的仿真结果：
二者仿真结果对比：
3．静态前馈参数整定的仿真。