5.前馈控制系统-过程控制(自动化)解析
TC
Psp
+ Pm
PC
u
Gv G m2
G p2
+
+
G p1
T
Tm
G m1
试分析串级控制为何能有效抑止二次扰动； 试分析串级系统为何能克服副对象和调节阀的非 线性。
课堂提问4
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？
ym (t) y(t)
控制目标：
Y ( s) 0 GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s)GDM ( s) 0 D( s )
前馈不变性原理
动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始 终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0, （调节过程的动态和稳态偏差均为零，“理想情况” ）。 稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而 其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与扰动 量d(t)无关。
前馈控制的动态补偿
d(t) GYD (s) GFF (s) u(t) GYC (s)
＋ ＋
y(t)
讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时， 需要引入动态补偿。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 )
课堂提问1
相比反馈控制，串级控制更有效抑制干扰，因此在控制方 案选择时应首选串级控制？
串级能够有效抑制副回路中的干扰，因此应选择能包含最 多干扰的那个变量作为副变量？
课堂提问2
Tsp
TC
Psp
PC
Tm Pm
控制器的正反 作用选择
进料
u Pv
燃料油
T
出料
P
课堂提问3
Pv Tsp
+ -
D1
P
+ +
非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。
非线性静态前馈控制举例
T2
sp
稳态平衡关系：
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
前馈控制系统的几种结构形式
分为静态前馈、动态前馈、前馈反馈控制系统、多变量前馈控制、用计 算机实现前馈控制等。
静态前馈控制
控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰
动的影响，即实现“稳态不变性”。
静态前馈控制方式：
线性静态前馈：
GFF ( s) GYD ( s)
GYC ( s) s 0
思考: 前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响
前馈控制算法
假设T1、T2的测量范围为[T1min, T1max]、[T2min, T2max], RV、 RF的测量范围为[0, RVmax]、[0, RFmax]；而各测量信号T1m、 T2m 、 RVm、RFm及设定值均为0 ~ 100 %.
sp RV 1
sp RVm RV max 1
Kv
RF (T2sp T1 ) , Kv HV / c p
Kv
RFm RF max{[T2 min 0.01(T2 max T2 min )T2sp ] [T1min 0.01(T1max T1min )T1m ]}
sp RVm RFm 1
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。
前馈控制方块图
D (t) 干扰通道 GYD (s) Dm (t)
GFF ( s)
开环
＋ ＋
测量变送 GDM (s)
GYD ( s) GDM (s)GYC (s)
前馈控制器 GFF (s)
u(t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
换热器的静态前馈控制器
假设静态工作点为: T1=20℃, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180℃. T2的测量仪表量程为100 ~ 300℃, RV仪表量程为0 ~ 5 T/hr，T1量程为0 ~ 50℃, RF仪表量程为0 ~ 20 T/hr. 则其 静态前馈控制算法为
sp RVm RFm 1
Kv
RF max
RV max
{[T2 min 0.01(T2 max T2 min )T2sp ]
[T1min 0.01(T1max T1min )T1m ]} 4 RFm Kv {100 2T2sp 0.5T1m }
换热器静态前馈控制仿真
讨论：分析稳态不变性原理以及系数Kvm对前馈控制性能 的影响，(参见模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)
前馈控制系统
Feedforward Control
本讲内容
前馈控制的原理
静态前馈控制 前馈控制系统的动态补偿
前馈反馈控制系统
换热器的反馈控制
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
T2
假设主要干扰为RF，T1
单回路控制的仿真
采用串级控制？
串级控制需要：
单回路控制不能满足要求； 可测量的副变量
Kv
RF max
RV max
{[T2 min 0.01(T2 max T2 min )T2sp ]
[T1min 0.01(T1max T1min )T1m ]}
换热器动态仿真模型
(参见模 型…/FFCont rol/ExHeater .mdl)
静态工作点: T1=20℃, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180℃. T2仪表量程为100~300℃, RV仪表量程为0~5 T/hr. 干扰通道纯滞后可忽略, 控制通道纯滞后为2.5 min.
副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
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 对象 y Dn
u
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。
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；
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。
第15页/共17页
第16页/共17页
感谢您的观看！
第17页/共17页
第9页/共17页
➢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。
第5页/共17页
➢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
前馈控制的名词解释
前馈控制的名词解释
前馈控制是指系统中的输出量通过某种信号或因素，并被作为反馈信号输入系统内部，对系统输入量进行调节和控制，从而实现系统特定运行目标的一种控制方式。
其特点是通过调节截止响应，抑制了反馈变换器和稳定器对输出信号的干扰，达到了稳定控制的目的，是现代自动控制系统的核心技术之一。
前馈控制的应用广泛，它可以涉及到温度控制、速度控制、压力控制、比例控制和流量控制等。
它可以帮助设计者降低系统响应时间，提升稳定性，减少变化幅度，达到最佳控制结果。
前馈控制是分析控制系统的重要工具，它能够用于描述系统状态信息和控制反馈信息，从而实现系统更精确、更安全的控制。
前馈控制可以分为流量和压力前馈，流量前馈可以改善流量的控制精度，而压力前馈则可以改善压力的控制精度。
此外，前馈控制具有自动比例控制的能力，可以采用自动步进控制器来控制比例反馈，实现更加精确的控制。
它同样可以采用PID（比例-积分-微分）控制，调节控制量达到最优化的控制效果，有效改善了系统特性，提高了系统稳定性。
前馈控制因其强大的控制能力，被广泛应用到工业控制领域，它为控制系统的性能提供了巨大的优势，比如改善系统控制质量、稳定系统输出、降低抗干扰能力等，是实现自动控制的必要手段和核心技术之一。
总之，前馈控制是一项重要的自动控制技术，它可以使得系统响
应快速，稳定性高，并可以使系统准确地设定和控制，从而达到最佳控制效果。
而通过不断发展调整前馈控制参数，可以有效提高系统控制装置的性能和稳定性，为实现精确的控制奠定基础。
第六章-前馈控制系统
➢ 只适用于克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其他扰 动无抑制作用，因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。
➢ 前馈控制的控制规律，取决于被控对象的特性。因此，往往 控制规律比较复杂。
4、前馈与反馈控制的比较
过程控制
反馈控制
过程控制过程控制过程控制4前馈与反馈控制的比较反馈控制前馈控制设计原理反馈控制理论不变性原理被测变量被控变量扰动量控制器输入测量和设定之间的偏差被测扰动量控制规律的实现可以和经济有时只能近似控制系统组态闭环开环典型控制器ppipdpid及开关超前滞后环节控制作用在过程受扰动的影响以前在过程受扰动的影响以后过程控制过程控制过程控制5前馈控制系统的方框图框图中ds扰动s对象扰动通道传递函数gffs前馈调节器gps对象传递函数前馈调节器的传递函数可应用不变性原理定量地导出其前馈控制系统框图为
➢ 实际工业生产过程中的扰动不止一个
➢ 有些扰动不可测量或难以测量 ➢ 前馈控制对被控变量的控制效果没有检验依据
➢ 即使Gp(s)和Gd(s)可以精确获得，但Gff(s)不能物理实现，例 如出现纯超前环节。
二、前馈控制系统的结构
过程控制
1、静态前馈控制
K ff Gff (s) s0
Gd (s) Gp (s)
ff p d
在大多数情况下，只需考虑主要的惯性 环节，也就是实现部分补偿，因此，动 态前馈算式通常采用近似式：
G ff
(s)
K ff
Tps 1 Td s 1
过程控制
根据Tp和Td的大小关系，动态前馈控制器的阶跃响应如图。 当Tp>Td时，前馈控制器呈现超前特性； 当Tp<Td时，前馈控制器呈现滞后特性； 当Tp=Td时，前馈控制器呈现比例特性，即为静态前馈增益；
名词解释前馈控制
名词解释前馈控制前馈控制是一种控制系统中使用的一种控制算法，它的基本原理是根据系统输入和已知的系统模型来预测系统输出，并根据这个预测来制定控制策略。
前馈控制可以有效地抵消外部干扰和系统动力学特性对系统的影响，提高控制系统的稳定性和性能。
前馈控制的核心思想是通过提前知晓系统输入对系统输出的影响，进而根据这些信息来进行控制。
在前馈控制中，通常会使用系统模型来建立输入和输出之间的数学关系。
这个模型可以基于系统的物理特性、经验数据或者理论推导来得到。
根据模型，前馈控制可以通过计算系统输入和输出之间的差异来确定控制策略，以期望输出接近于预期值。
在前馈控制中，常用的控制策略包括比例控制、积分控制和微分控制。
比例控制根据输入和输出之间的差异来确定控制量的大小，积分控制根据输入和输出之间的积分误差来调整控制量，微分控制则根据输入和输出之间的变化率来调整控制量。
这些控制策略可以单独或者结合使用，以达到预期的控制效果。
前馈控制在许多领域中都有广泛的应用。
在机械控制系统中，前馈控制可以用于抑制振动和提高系统的响应速度。
在化工过程中，前馈控制可以用于优化反应过程和减少能源消耗。
在电力系统中，前馈控制可以用于提高电网稳定性和降低线损。
此外，前馈控制还可以应用于航空航天、交通运输、自动化生产线等领域。
虽然前馈控制具有许多优点，但也存在一些局限性。
首先，前馈控制通常需要准确的系统模型和输入信息，如果这些信息不准确或者有误差，控制效果可能会降低。
其次，前馈控制无法处理未知的干扰和变化，只能预测已知输入对输出的影响。
因此，在实际应用中，通常会将前馈控制与反馈控制相结合，以克服各自的不足，实现更好的控制效果。
总之，前馈控制是一种通过预测系统输入对输出的影响来进行控制的算法。
它可以有效地抵消外部干扰和系统动力学特性对系统的影响，提高控制系统的稳定性和性能。
然而，前馈控制的有效性取决于准确的系统模型和输入信息，因此在实际应用中需要综合考虑其他因素来选择合适的控制策略。
自动化仪表与过程控制题库
自动化仪表与过程控制题库一、选择题（每题3分，共30分）1. 自动化仪表按照功能分类，以下不属于的是（）A. 检测仪表B. 显示仪表C. 执行仪表D. 超级仪表答案：D。
解析：自动化仪表按照功能分为检测仪表、显示仪表、执行仪表等，没有超级仪表这种分类。
2. 过程控制系统中，最常用的控制算法是（）A. 比例控制B. 积分控制C. 微分控制D. 比例 - 积分 - 微分控制答案：D。
解析：比例 - 积分 - 微分控制（PID控制）综合了比例、积分、微分三种控制作用的优点，是过程控制系统中最常用的控制算法。
3. 自动化仪表的精度等级是根据（）来划分的。
A. 基本误差B. 回程误差C. 引用误差D. 绝对误差答案：C。
解析：自动化仪表的精度等级是根据引用误差来划分的，引用误差越小，精度等级越高。
4. 以下哪种传感器可以用来测量温度（）A. 压力传感器B. 电容传感器C. 热电偶D. 电感传感器答案：C。
解析：热电偶是一种常用的温度传感器，它基于热电效应工作，能够将温度转换为电势信号。
5. 在过程控制系统中，被控对象的特性不包括（）A. 放大系数B. 时间常数C. 滞后时间D. 采样时间答案：D。
解析：被控对象的特性包括放大系数、时间常数和滞后时间等，采样时间是与控制系统的采样有关，不属于被控对象特性。
6. 显示仪表按照显示方式分类，不包括（）A. 模拟式显示仪表B. 数字式显示仪表C. 图像式显示仪表D. 混合式显示仪表答案：C。
解析：显示仪表按照显示方式分为模拟式显示仪表、数字式显示仪表和混合式显示仪表，没有图像式显示仪表这种分类。
7. 自动化仪表的信号传输方式中，以下哪种传输距离较短（）A. 电流信号传输B. 电压信号传输C. 数字信号传输D. 脉冲信号传输答案：B。
解析：电压信号传输时，由于电压容易受到线路电阻的影响，传输距离较短，而电流信号传输抗干扰能力强，传输距离相对较长。
8. 以下关于执行器的说法错误的是（）A. 执行器是过程控制系统中的终端控制元件B. 执行器根据控制信号来改变被控对象的操作变量C. 执行器只有气动执行器一种类型D. 电动执行器也是常见的执行器类型答案：C。
5.前馈控制系统-过程控制(自动化)
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。
cp, RF , T1 冷凝液
T2
换热器的线性前馈控制
结论
引入前馈控制的可能应用场合：
常规反馈控制系统难以满足要求； 干扰可测。 主要被控量不可测
应用前馈控制的前提条件：
主要干扰可测； 调节阀与被测干扰之间没有因果关系； 干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； 干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
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 对象 y Dn
u
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。
换热器反馈控制系统举例
(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 1
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 2
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)
前馈＋反馈控制的仿真
6.3s 1 % GFF ( s) 0.975 exp 0.3s 3s 1 %
过程控制_第4章_前馈控制系统讲解
前馈—反馈控制系统优点：
（1）由于增加了反馈回路，只需对主要的干扰进行 前馈补偿，其它干扰可由反馈控制予以校正，大大简 化了原有前馈控制系统； （2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度 要求； （3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控 制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。 （4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器 特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且 与反馈控制器特性有关。（同学试自己推导）
Y2
前馈-反馈控制方框图
干扰N对被控变量Y的闭环传递函数为：
Y(S)
Wf (S)
Wff (S )Wo (S )
N (S ) 1 TC(S )Wo (S ) 1 TC(S )Wo (S )
Sp - TC(S)
Wff(S)
+
N
Y1
Wf(S)
Wo(S) + Y
Y2
Y(S)
Wf (S)
Wff (S)Wo (S)
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Gff(s)和Gpc(s)的变化。
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前 馈调节器又称为“扰动补偿器”。
②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、 静态偏差比较快速有效。
自动化过程的控制原理
自动化过程的控制原理
自动化过程的控制原理主要包括反馈控制原理和前馈控制原理。
1. 反馈控制原理：反馈控制是通过测量和比较被控对象的输出信号和设定值（或参考信号）之间的差异，来产生控制信号以调节被控对象的运行状态。
具体原理如下：
a. 传感器感知被控对象的输出信号，并将其转化为电信号。
b. 控制器接收到传感器输出的信号，并将其与设定值进行比较。
c. 控制器根据比较结果产生误差信号，并通过某种算法计算出控制量。
d. 控制器输出的控制量通过执行器作用于被控对象，改变其运行状态。
e. 被控对象的运行状态改变后，再次被传感器感知，形成闭环控制。
2. 前馈控制原理：前馈控制是根据被控对象的运行特性和输入信号的要求，提前在系统中加入预测模型和补偿装置，通过预测和修正被控对象的输出，使其更接近设定值。
具体原理如下：
a. 根据被控对象的运行特性，建立一个预测模型，预测输入信号与输出信号
之间的关系。
b. 通过预测模型计算出一组控制信号，这组信号作为输入信号的补偿，可以使得被控对象的输出更接近期望值。
c. 将计算得到的控制信号与设定值结合，作为总的控制量。
d. 总的控制量通过执行器作用于被控对象，控制其运行状态。
前馈控制相比反馈控制更加灵敏和准确，但它也对被控对象的特性要求更高，需要提前对系统进行建模和补偿装置的设计。
因此在实际应用中，通常会将反馈控制和前馈控制相结合，以充分发挥两者的优势。
过程控制--第八讲：前馈系统设计(lyz)
2013-8-10
二、前馈控制系统结构形式
1．静态前馈控制系统：
例：发电厂换热器前馈控制，若物料流量为主要扰动时，要实现静 态前馈控制，可按稳态时能量（热量）平衡关系写出其平衡方程， 即：
Q0H0＝Qf ×cp（T2－T1） 其中：Q0－加热蒸汔量；H0－蒸汽汽化潜热；Qf－物料流量；cp－物 料的比热；T1、T2－分别为冷物料温度、热物料温度。 静态前馈控制算式 ： Q0＝ （Qf ×cp） ×（T2－T1）/H0 或：T2＝T1+ (Q0H0)/ (Qf ×cp) 控制通道的静态放大系数 K0＝ dT2/dQ0=H0 / (Qf ×cp) 扰动通道的静态放大系数 Kf＝dT2/dQ0=(Q0*H0) /(Qfcp)*(1/Qf)=-(T2-T1)/Qf
过程控制与仪表 10
2013-8-10
二、前馈控制系统结构形式
3．前馈－反馈控制系统：
图8-26 a所示为换热器前馈－反馈控制系统，前馈－反馈控制系统 框图：
输入X(s)、F(s)对输出Y(s)的影响为 Y(s)＝W(S) W0(S)X(s)/(1+W(S) W0(S))＋ [Wf(S)+ WFF(S)W0(S)] F(s) /[1+W(S) W0(S)] 若F(s)的完全补偿 则：Wf(S)+ WFF(S)W0(S)＝0 注意：
前馈调节器的传递函数： WFF(s)＝－ Wf(S) /[ W2(S)×W01(S)] 其中：
W2(S)为副回路闭环传函。 W01(S)为主回路对象。
若：副回路工作频率是主回路的倍数。则W2(S)≈1 WFF(s)＝－ Wf(S) / W01(S)