前馈控制

前馈控制系统

赵景玉

沈阳化工学院

2003/8/20

2.2前馈控制系统

本节掌握要点及要求

1、前馈控制的基本原理

2、前馈－反馈控制系统、串级前馈系统的组成原理、应用场合及加法器符号判定

3、前馈控制、串级前馈系统方块图的画法

4、前馈控制模型的实施

本章复习思考及作业题

2,2.1前馈控制系统基本原理

1.前馈控制系统的引入

(1)反馈控制系统

１）定义：具有被控变量负反馈的闭环调节系统

２）特点：①按偏差进行调节

②调节量小，失调量小

③能随时了解被控变量变化情况

④输出影响输入（闭环）

３）存在问题：①必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用

②调节不及时，被控变量总是变化的

2、前馈控制系统：

１）问题提出：反馈系统最大缺点，在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。

２）前馈调节系统：

①定义：是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。

2)前馈控制原理

(1)原理：根据不变性原理，即被控变量与干扰量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立

Y(S)/F(S)=0 ，由于F(S) 0，所以只有Y(S)=0.

(2) 推导：Y(S)/F(S)=G PD(S)+G PC(S)?G ff(s)=0

所以Gff(s)=- Gpd(S)/Gpc(s)

Gff(s)=- 干扰通道对象特性/控制通道对象特性

负号；表示控制通道与干扰通道作用相反。

所以前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道对象特性4）前馈控制系统特点

①开环控制系统：F↑→（Gff）↑→Gv↑→G蒸↑→△T↑→T

②按干扰进行控制，控制及时，精度高。

③仅仅对前馈量有控制作用（对T不起作用）

④前馈控制器为多用控制器（根据对象特性获得）

⑤不能随时了解被控变量变化情况

2.2.2前馈控制系统几种类型

1.静态前馈

Gff(s)=- Gpd(S)/Gpc(s)这是一个动态前馈模型，它追求一完全补偿。即前馈控制器的输出是干扰量和时间的函数

(1)静态前馈：前馈控制器输出只是干扰量的函数，与时间无关。

(2)特点及应用：

特点：①结构简单实施方便（比值器，加法器）

应用：②动态前馈实施比较困难时，生产要求不高

③对象特性（动态特性）相近

(3)静态前馈传函的获取

①可实际测试

②有条件情况可进行理论建模

以换热器为例：

根据热量平衡：F? C P（T1-T2）=G S? H S

式中：CP为物料比热；HS蒸汽汽化潜热；GS蒸汽流量；

T1工艺要求加热的温度对应工艺设定值（T1 sp）。

GS= F? CP/ HS （T1 sp -T2）

由该式组成的静态控制规律可实现对F、T2的静态补偿。

2.动态前馈

①定义：前馈调节器输出不仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数，校整作用不仅克服静态误差，而且消除动态误差。

3.前馈反馈系统

1)前馈控制系统存在问题：

从理论上前馈系统可达到完全补偿，但实际上是做不到。

①对象特性是千变万化，不同设备对象特性不同，同一设备（对象）在不同操作条件下，具有不同特性（非线性）（对象特

性是变化的）

②工业对象干扰多，为保证精度必须把全部干扰包括进去，造成投资大，参数整定繁。

③前馈系统只对前馈量有补偿作用，对未前馈量的干扰毫无作用

④受前馈模型精度限制，对象复杂，前馈模型精度不够，在不同情况下，难以保证用一个固定模型获得良好的品质指标。

⑤有些参数无法测量，因此，也无法前馈。

⑥因仪表实施时，前馈算式往往都作近似处理，如等

⑦由于开环很难知道补偿的效果。

3.前馈反馈系统：

为解决上述问题，组成前馈—反馈的复合控制系统

①用前馈校正作用及时，克服主要干扰

②利用反馈具有克服多种干扰能力，失调量小，随时了解被控量变化情况。

前馈—反馈控制系统框图如下：

(1)前馈反馈控制系统模型的建立

FFC—FBC系统实质上是反馈控制和前馈控制输出叠加，是按扰动控制和反馈控制之和。

T1(S)=F(S) ? G pD(S)+F(S)?H m2(s)?G ff(s)?G v(s)?G pc(s) - T1(S) ? H m1(s) ? G c1(s) ? G v(s) ? G pc(s)

设：H m1(s) ＝H m2(s)＝G v(s) 则

结论：1）前馈—反馈控制系统其动态模型与单纯动态模型一致2）在同样干扰作用下，前馈—反馈受控变量的变化要比单纯前馈要小（1/（1+Gpc·Gv·Gc1·Hm1）倍

(6)前馈–反馈系统的优点

1)大大简化原有系统，只要对主要干扰进行前馈，次要干扰用反馈进行克服，保证控制精度，节约了投资。

2）由于反馈系统存在，降低了对前馈模型要求，因受干扰时，降低了对受控变量的影响，缩小了（1/（1+Gc（s）·Gv（s）·Gpc （s）·Hm（s））倍

3）提高了控制质量。

4.串级前馈控制系统

为克服调节阀的变差（滞环），阀前后压差变化，引起阀和流量变化（如蒸汽压力变化）增加一个流量付环。

结论：串级前馈模型基本上同单纯前馈系统。

2.2.3前馈模型的实施

1.用模拟仪表实施

(1)实施中存在如下问题：

1）许多工艺对象不清楚

2）对象反应机理复杂，导致前馈模型复杂，种类繁多。

(2)用仪表实施考虑：

1）力求仪表模式通用性

2）便于简化对象特性，在制造上能满足工艺精度要求，实施简单的前馈控制器。

2.各环节的实施

化工、热工对象都具有非周期性和过阻尼特性，因此都可以用一阶和二阶纯滞后表示。

前馈模型由三不分组成：

结论：1、T1?T2控制通道时间常数大于干扰通道时间常数,

前馈补偿环节起超前作用。

2、T1

2）超前滞后环节的实施

方框图为

C)K F用比值器实施

2.2.4计算机前馈算法实施1.公式推导

2．前馈—反馈控制系统计算机实施步骤：

①计算反馈控制偏差

e（kt）=R（kt）-Y（kt）（△e（kt）=e（kt）-e（kt-t））

②计算反馈控制器输出

△P(KT)=KP. △e(KT)+Kie(KT)+Kp[△e(KT)-△e(KT-T)]

P(KT)=P(KT-T)-△P(KT)

③计算前馈控制器输出M(KT)

△M(KT)=a1△M(KT-T)+b1△F(KT-T)-LT)+b2△F(KT-LT-T)

M(KT)=M(KT)+P(KT)

3．前馈调节系统应用场合：

（1）系统中存在着可测不可控，幅变化大，且交换频繁，对受控变量影响大，反馈难以克服，工艺要求严格。如精馏塔进料与塔顶温度前馈－反馈系统控制系统。

（2）控制通道滞后大，反馈不及时，为提高质量引进前馈，如加热炉原油流量与加热炉原油温度系统前馈－反馈系统。

（3）工艺上要求实现某种关系，按数量模型进行控制，把干扰量入模型当中去。从模型中求出操纵变量，可消除干扰对受控变量影响，如：换热器静态前馈。

2.2.5前馈调节系统的系数整定

1.前馈调节系统中加法器符号判定方法

根据工艺条件和系统结构判定：

(1)系统结构：主要指阀的开闭形式及调节器正反作用

(2)工艺条件：即设置前馈目的，系统动作必须符合其目的。

①阀的开闭形式（气开）

②、调节器正反作用（反作用）

2、加法器符号

①加法器运算式：Pc=a±b±c

②一般选择反馈回路a为正

③c是抵消b与b大小相等，符号相反

④b先假设一个正负符号，符合设计意图，假设正确，否则为相反

设b为正目的；原油↑应打开阀门让Gff增加G↑→Gff↑→b↑→Pv↑→G燃↑→符合设计意图

⑤c符合b大小相等，方向相反：∴c为负即Pc=a+b-c

3.参数整定

如果前馈模型很准确，无须整定，由于测试不准所以进行整定

(1)静态前馈整定方法：

1)开环整定法：Kf大小决定阀门的位置，因此对Kf选择决定补偿部分是否合适

具体步骤：①待系统稳定（用反馈）Y=Y0

②加法器各系数放置合适 Pc=a+b-c 用c抵消b值

③断开反馈回路成开环

④施加干扰F，使Yo′→Yo

⑤调整Kf值，使Yo′→Yo为正

⑥Kf为所求

注意一点：整定时，其它干扰应为次要地位，尽量平稳，否则影响测量准确性

(2)闭环整定法：

因为有系统当断开反馈时，由于失去反馈控制，易造成事故，而用闭环整定法

具体做法：

1）断开前馈回路，用反馈使系统稳定y=yo调节器输出po

2）实加△G，被控变量变成yo′，通过反馈使y=yo调节器输出Po′，级下△G，Po′。

3) Kf为所求

注意：反馈阀动大小，相当于前馈输出大小一样，对△G干扰前馈使阀动作（Po′-po）

(3)前馈—反馈整定法

１）系统稳定后，加上静态前馈系数，施加干扰

２）调整Kf，由小到大，知道

合适为止

注意：一般Kf应小点，不要造成过补偿，过补偿造成品质下降

b、动态前馈补偿整定法

目前对动态前馈整定应无一套整定方法，一般从具体实际中找规律