前馈控制系统基本概念教学PPT.ppt

第十四讲前馈控制系统基本概念 主要内容 一 前馈控制的基本原理二 前馈控制系统的特点 反馈控制广泛应用于流程工业 具有通用性强 鲁棒性好 可克服所有干扰 无需建立对象模型等特点 但是 反馈控制只有在被控变量产生偏差以后才能够产生校正作用 因此不能实现被控变量完全不受干扰影响的理想控制 反馈控制不能提供预测的功能 无法补偿已知的或可以测量的干扰的影响 而且当被控变量不能在线测量时 反馈控制时无法补偿 对于那些采用反馈控制无法获得满意效果且干扰可在线测量的过程 加入前馈控制能够改善控制品质 d1 t dn t 表示某些可测量 且对被控变量cv影响显著的干扰 前馈控制的基本原理 测量进入过程的干扰量 并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量 使被控制变量维持在设定值上 在这些可测干扰影响cv以前 同时调节操作变量mv以抵消这些干扰的影响 最终使cv维持不变或基本不变 一 前馈控制的基本原理 设计目标 系统对扰动d t 实现全补偿的条件 前馈控制器设计公式 设计目标 开环 满足该式的前馈补偿装置能使被控变量y t 不受扰动量d t 变化的影响 不变性原理是前馈控制的理论基础 不变性 是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响 进入控制系统中的扰动会通过被控对象的内部关联 使被控变量发生偏离其设定值的变化 不变性原理是通过前馈控制器的校正作用 消除扰动对被控变量的这种影响 有以下几种类型的不变性 1 绝对不变性指在扰动的作用下被控变量在整个过程中始终保持不变 2 误差不变性指在扰动的作用下被控变量的波动小于一个很小值 3 稳态不变性系统在稳态工况下被控变量与扰动无关 4 选择不变性被控变量往往受到若干个干扰的影响 若系统对其中几个主要的干扰实现不变性补偿 就称为选择不变性 前馈控制系统实际上是根据不变性原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统 二 前馈控制系统的特点 1 前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时前馈控制是针对干扰作用进行控制的 当干扰一出现 前馈控制器就根据检测到的干扰 按一定规律进行控制 当干扰发生后 被控变量还未发生变化 前馈控制器就产生了控制作用把偏差彻底消除 前馈控制与反馈控制的比较 2 前馈控制属于开环控制系统反馈控制系统是一个闭环控制系统 而前馈控制是一个开环控制系统 前馈控制器根据干扰产生控制作用对被控变量进行影响 而被控变量并不会反过来影响前馈控制器的输入信号 扰动量 因此 采用前馈控制时 对被控对象的了解必须比采用反馈控制时清楚得多 3 前馈控制采用的是由对象特性确定的 专用 控制器一般的反馈控制系统均采用通用的pid控制器 而前馈控制器是专用控制器 对于不同的对象特性 前馈控制器的形式是不同的 总结 可能引入前馈控制的场合 1 基本的被控变量不可测 2 基本的被控变量可测 但某些干扰太强以至于反馈控制系统难以满足工艺要求运用前馈控制的条件 1 主要干扰是可测的 2 干扰通道的响应速度低于控制通道的响应速度 3 干扰通道与控制通道的动态特性几乎是不变的 或者是可抵消的 小结 一 前馈控制的基本原理二 前馈控制系统的特点 谢谢 第十五讲前馈控制系统的结构形式 主要内容 一 静态前馈二 动态前馈三 前馈反馈控制四 前馈控制的实施 前馈控制器 假设测量变送环节的传递函数为1 这种控制器考虑了两个通道的动态特性 是一种动态前馈控制器 追求的目标是被控变量的绝对不变性 但在实际生产过程中 有时只需要在稳态下实现对扰动的补偿 一 静态前馈 令式中的s为0 得到静态前馈控制算式kyd kyc分别为干扰通道和控制通道的静态增益 静态前馈系统的结构简单 容易实现 可以保证在稳态时消除扰动的影响 但在动态过程中偏差依然存在 当在控制通道和干扰通道的动态特性差异很大时 必须考虑动态前馈补偿 单个扰动的动态前馈补偿原理如图 二 动态前馈 动态前馈的作用是力求在任何时刻均实现对干扰的补偿 通过合适的前馈控制规律的选择 使干扰经过前馈控制器到达被控变量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致 并且它们的符号相反 从而达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响 比较 静态前馈是动态前馈的一种特殊情况 动态前馈可以看成静态前馈和动态补偿两部分 它们结合在一起 可以提高控制过程的动态品质 三 前馈反馈控制 由于下列原因前馈控制会存在偏差 1 实际的工业过程中存在多个扰动 若对每个扰动都设置前馈通道 会增加控制系统投资费用 一般只选择几个主要干扰加以前馈控制 2 受前馈控制模型精度的限制 3 构建的前馈控制器是近似的 当综合得到的前馈控制算法中包含纯超前环节或纯微分环节时 它们在物理上是不能实现的 一般将纯超前环节处理为静态环节 纯微分环节处理为超前滞后环节 但是 在前馈控制系统中 不存在被控变量的反馈 对补偿的效果没有检验的手段 如果控制的结果无法消除被控变量的偏差 系统将无法做进一步的校正 怎么办 将前馈与反馈结合起来 构成前馈 反馈控制系统 其原理图如图所示 前馈 反馈控制系统优点 1 从前馈的控制角度 由于增加了反馈控制 降低了对前馈控制模型精度的要求 并且对未选作前馈信号的干扰产生校正作用 2 从反馈控制角度 由于前馈控制的存在 对干扰作了及时的粗调作用 大大减小了反馈控制的负担 为了便于工业应用 使控制器的模式具有一定的通用性 对于系统的设计 运行和维护都会带来方便 四 前馈控制的实施 前馈控制器 假设测量变送环节的传递函数为1 用一阶加纯滞后模型来近似 则 分析 多数的工业对象可用一个带有纯滞后的 超前滞后 环节来实现补偿 当扰动通道的时滞小于控制通道的时滞时 即小于0 超前环节 物理上无法实现 只能令其为1 小结 一 静态前馈二 动态前馈三 前馈反馈控制四 前馈控制的实施 谢谢 第十六讲比值控制系统的概念 主要内容 一 比值控制系统的概念二 定比值控制 溶液配制问题 问题 假设氢氧化钠naoh用量qb和稀释水量qa可测并且qa可调 如果qb变化 如何调整以使稀释液naoh的浓度为6 8 左右 解决方案一 通过测量混合液的浓度 并采用单回路反馈控制来满足上述要求 设出口浓度为被控变量 入口处的稀释水流量qa为操纵变量 但是 浓度信号的获取较为困难 并且测量环节有滞后 会影响控制品质 溶液配制问题 问题 假设氢氧化钠naoh用量qb和稀释水量qa可测并且qa可调 如果qb变化 如何调整以使稀释液naoh的浓度为6 8 左右 解决方案二 不直接控制混合液浓度 而是采用输入流量比值控制来间接达到上述要求 即前馈控制方案 根据前馈控制的不变性原理 若某一输入物料流量变化时 另一物料也能按比例跟随变化 则可以达到对出口浓度的完全补偿 流量比值控制问题 要求 qa qb kab 比值系数 而qb为主动流量 qa为可控量 要求设计一控制系统通过调节qa以实现上述比值控制目标 在现在工业生产过程中 需要将两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应 一旦比例失调 会造成产品质量不合格 甚至造成生产事故 比如稀硝酸生产中的氧化炉 氨和空气应保持一定的比例 否则将使反应不能正常进行 而比例超过一定极限将引起爆炸 比值控制的目的 就是为了使几种物料混合后符合一定比例关系 使生产能安全正常进行 一 比值控制系统的概念 比值控制系统 实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统 流量比值控制系统 保持两种或两种以上物料的流量为一定比例关系的系统 主物料 在需要保持比值关系的两种物料中 必有一种物料处于主导地位 称为主物料 表征这种物料的参数称为主动量 用q1表示 另一种物料按主物料进行配比 称为从物料 表征这种物料的参数称为从动量 用q2表示 在实际生产过程中 将生产中主要物料定义为主物料 有时 将不可控物料作为主物料 用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系 比值控制就是要实现副流量q2与主流量q1成一定的比值关系 一般的流量比值控制问题 控制问题 通过操作流体a的流量qa以维持两流量的比值不变 即qa qb kab 即使流体b的流量qb变化 流体b可被称为主动流体 而流体a可称为被动流体 二 定比值控制 单闭环比值控制双闭环比值控制 单闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统包含一个闭合回路 对副流量引入一个反馈回路 当主流量q1变化时 其流量信号经测量变送器送到比值器中 比值器按预先设置好的比值系数使输出成比例变化 并作为副流量控制器的设定值 实际上 副流量控制是一个随动系统 q2经反馈控制自动跟随q1变化 保持两流量比值不变 单闭环比值控制 两物料放入流量比值可以保持一定 但是由于主流量q1是可变的 所以进入的总流量是不固定的 如何克服 双闭环比值控制既能实现两个流量的比值恒定 又能使进入系统的总负荷平稳 主流量也构成了闭合回路 由于有两个流量闭合回路 可以克服各自的外界干扰 使主 副流量都比较平稳 系统的总负荷也将是平稳的 小结 一 比值控制系统的概念二 定比值控制 谢谢 第十七讲比值控制系统的设计 主要内容 一 变比值控制二 比值控制的实施三 比值控制系统的设计 采用比值控制是为了保证流量之间的一定比例 其目的是保证产品质量 定比值控制的各种方案只考虑如何来实现比值关系 没有考虑成比例的两种物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求 因此 从最终质量来看这种定比值控制系统是开环的 一 变比值控制 但系统中存在着除流量干扰外的其它干扰 如温度 压力等的干扰 时 原来设定的比值器就不能保证产品的最终质量 需要重新设置 但是 干扰是随机的 干扰的幅度是不相同的 无法用人工的方法修正比值系数 怎么办 变比值控制系统 按照某一工艺指标自动修正流量比值的变化比 在稳定状态下 主 副流量q1和q2恒定 它们分别经测量变送器送除法器相除 即得到它们的比值 再送往比值控制器 如果表征最终质量指标的主参数y也恒定 主控制器输出信号稳定 比值控制器输出稳定 控制阀开度一定 产品质量合格 当系统中出现除流量干扰外的其它扰动引起主参数y变化 通过主反馈回路使主控制器输出变化 修改两流量的比值设定值 以保持主参数稳定 对于进入系统的主流量q1干扰 由于比值控制回路的快速随动跟踪 使副流量q2 kq1相应变化 以保持主参数y稳定 它起了静态前馈的作用 对于副流量本身的干扰 通过自身的控制回路克服 相乘方案 依据q2 kq1可以对q1的测量值乘以比值k 作为q2流量控制器的设定值 相除方案 依据q2 q1 k可以将q2与q1的测量值相除 作为比值控制器的测量值 二 比值控制的实施 三 比值控制系统的设计 1 主 从动量的确定设计比值控制系统时 首先要确定主 从动量 在生产过程中起主导作用 可测而不可控 较昂贵的物料流量一般为主动量 以主动量为准进行配比的物料流量为从动量 2 控制方案的选择根据不同的工艺情况 负荷变化 扰动性质和控制要求等进行合理选择 3 控制器控制规律的确定单闭环控制中从动回路控制器选用pi控制规律 起比值控制和稳定从动量的作用 双闭环控制中主 从动回路调节器选用pi控制规律 不仅起比值控制作用 而且要起稳定各自的物料流量的作用 变比值控制可仿效串级系统控制规律的选用原则 4 比值系数k的选取范围相乘形式 k值如果太小 则从动量q2的流量设定值kq1也很小 仪表的量程不能充分利用 会影响控制精确度 如果k值过大 则设定值可能接近控制器的量程上限 遇到主动流量q1值进一步上升时 将无法完成比值控制的功能 相除形式 k值应取为0 5 0 8左右 5