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4 2前馈控制系统 主要内容 基本概念系统结构性能分析设计应用 过程控制系统按系统的结构特点分类1 反馈控制系统2 前馈控制系统3 前馈 反馈控制系统 4 2 1前馈控制基本概念 控制器动作 补偿扰动影响 被控过程受到扰动 产生偏差 特点 单回路 串级控制 反馈闭环控制 反馈控制 在反馈控制系统中 控制器根据被控量与设定值之差进行控制 如果扰动已进入控制系统 而被控量尚未变化 控制器是不会产生校正作用的 由于偏差是在扰动作用之后才产生的 故对于一些滞后 包括纯滞后和容量滞后 较大的对象来说 控制作用往往不及时 使控制过程产生较大的偏差 且偏差持续时间也较长 当工艺对控制质量要求严格时 有些场合反馈控制便难以满足要求 双容水箱液位控制 例 双容水箱液位控制 前馈控制 前馈控制正是改善反馈控制不及时的一种方法 它是按引起被控量变化的扰动大小进行控制的 当扰动刚出现且能被测出时 控制器就能够发出控制信号去克服这种扰动 无须等待被控量的变化 因此 前馈控制对于克服扰动的影响比反馈控制来得快 如果使用恰当 控制质量可获得改善 这种按照扰动产生校正作用的控制方法 通称为前馈控制 前馈控制的基本原理 测取进入过程的扰动量 外界扰动和设定值变化 并按照其信号产生合适的控制作用去改变控制量 前馈控制的特点 按引起被控量变化的扰动大小进行控制 无须等待被控量的变化 例 换热器温度控制方案一 反馈控制FBC 用加热载体的流量控制被加热流体的温度滞后控制 前馈控制方案FFC 按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响 方案二 换热器进料量为出口温度的主要干扰量 可通过流量测量 通过前馈装置 控制阀门 即用蒸汽变化补偿由于进料流量变化对出口温度的影响 超前控制 前馈控制系统的全补偿过程 一 反馈控制与前馈控制的特点 一 反馈控制的特点1 反馈控制的本质是 基于偏差来消除偏差 2 无论扰动发生在哪里 被控变量产生偏差 调节器才动作 不及时 3 反馈控制系统 构成闭环 存在一个稳定性的问题 4 所有扰动都包围在闭环内 可消除多种扰动 5 反馈控制系统中 调节规律 P PI PD PID 二 前馈控制的特点 1 前馈控制器是 基于扰动来消除扰动对被控量的影响 称为扰动补偿 2 按干扰作用的大小进行控制 提前 控制及时 3 前馈控制属于开环控制 不存在稳定性的问题 开环控制 控制效果不能通过反馈验证 因此对控制器设计的要求比较严格 4 是一种根据对象特性设计的 专用 控制器 不象反馈控制通用PID算法 前馈控制算法依对象不同而不同 前馈控制器设计依据 扰动补偿理论 5 只对被前馈的可测不可控的主要扰动有校正作用 其它扰动无法控制 具有一定的局限性 前馈与反馈的控制比较 系统框图与控制算式 GPD s 干扰通道 GPC s 控制通道完全补偿条件 F S 0而Y S 0 前馈控制方框图 系统传递函数 不变性原理 一 不变性的基本概念 不变性 是指控制系统的被控量与扰动量完全无关 或在一定准确度下无关 f t 扰动量 系统输入参数 y t 被控量 系统输出参数 当f t 0时 系统的不变性定义为 y t 0 即被控量y t 与扰动量f t 无关 不变性的类型 1 绝对不变性 指系统在扰动量f t 的作用下被控量y t 在整个过渡过程中始终保持不变 2 误差不变性 指准确度有一定限制的不变性 或者说与绝对不变性存在一定误差为 的不变性 又称为 不变性 系统在扰动量作用f t 的作用下 被控量y t 的偏差小于一个很小的 3 稳态不变性 系统在稳态工况下 被控量y t 与扰动量f t 无关 4 选择不变性 系统采用了被控变量对其中几个主要扰动实现不变性 称为选择性不变性 基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统实质 按扰动进行补偿的开环系统 4 2 2系统结构与性能分析 一 静态前馈控制 前馈控制作用表达式 mf f D t mf是其输入D 进入控制器的扰动量 和时间t的函数 静态前馈控制 是指控制器的输出量仅是其输入量的函数而与时间因子无关 简化表达式 mf f D 工程上近似表示为线性关系 Kf 前馈控制器的比例系数 mf 前馈控制器的输出 D 输入的变化量 例 换热器前馈控制 按热平衡关系列写出静态前馈控制方程 解 换热器的热平衡方程式 忽略热损失 为 F1C1 T1o T1i F2H2 F1 F1 C1 T1o T1i F2 F2 H2 F1为主要扰动 为保持出口温度T1o不变 设冷流体增加为F1 F1 需要载热体相应变化到F2 F2 则由上式可得静态前馈控制方程为 整理后得 Kf为比例常数 F2 F1 Kf 如果考虑次要的扰动F2和T1i的变化 把冷流体出口温度稳定在设定值Tx 则由式可得静态前馈控制方程 前馈控制器 控制方案 单元组合仪表实现 换热器静态前馈控制方案 静态前馈控制1 实现稳定工况下的干扰补偿 要求没有动态那么高 有时 为了提高动态品质 可在静态前馈基础上适当加入动态环节2 适用于较为简单的对象 可以写出静态方程式3 单纯前馈控制要注意系统稳定性问题 开环通道稳定 FFC稳定 开环不稳定对象 要在控制器设计时注意 动态前馈控制实现动态干扰补偿 二 前馈 反馈控制系统单纯前馈控制的局限性 1 不能根据偏差进行控制效果检验 不能反馈 而不断纠正偏差 2 受模型精度影响GPD s GPC s 3 一个前馈控制只能处理一个扰动 结合反馈 前馈的特点 取长补短 从而形成前馈 反馈控制方案 FFC FBC 对主要干扰进行前馈控制 校正及时对其它干扰进行反馈控制 反馈校正 多干扰控制 例 换热器FFC FBC系统FFC按负荷F的变化校正蒸汽量F2 FBC根据温度偏差对蒸汽量F2进行进一步校正 FFC与FBC作用叠加 完全补偿条件与单纯FFC相同 FFC FBC优点 1 FFC只需对主要干扰进行前馈补偿 其余干扰由FBC完成 2 由于FBC的偏差校正 对FFC的模型精度要求降低 3 有模型变化的适应能力 三 前馈 串级控制系统同样对于前例的换热器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 解决办法 串级控制前馈 串级控制系统 克服副回路蒸汽量F2的扰动 前馈补偿环节 1 前馈控制系统适用于什么场合 有某前馈一反馈控制系统 其对象干扰通道的传递函为 调节通道的传递函数为 反馈调节器用PID规律 试设计前馈调节器 并画出前馈一反馈控制系统的方框图 例 答 前馈控制系统的特点是按照干扰作用的大小进行调节的 当某一干扰出现后 调节器就对操纵变量进行调整 来补偿干扰对被控变量的影响 它调节及时 并且不受系统滞后大小的限制 前馈调节器是开环的调节系统 前馈调节规律不能用PID 它是一种特殊的调节规律 适用于以下4种场合 1 滞后比较大的调节对象 2 时间常数很小的对象 3 非线性的调节对象 4 按计算指标进行调节的对象 由理想的前馈调节规律可知 方块图 2 下图所示为加热炉的三种控制方案 试分别画出 a b c 所示三种情况的方块图 并比较这三种控制方案的特点 答 其方块图如图所示 其中a 为典型的串级控制系统 主变量为加热炉出口温度T 副变量为燃料油流量Q1引人副变量Q1的目的是为了及时克服由于燃料油压力 流量 波动对主变量T的影响 以提高主变量T的控制质量 图b 为典型的前馈一反馈控制系统 系统的被控变量是原油的出口温度 综合了前馈与反馈控制的优点 原油流量变化 FC 燃料油的加入量 出口温度的变化 燃料量的加入量 TC 克服其它干扰 克服主干扰 图c 串级控制 双重控制 前馈 反馈控制 前馈 串级控制 两个调节器TC与FC串级工作 TC的输出作为FC的给定 形似串级控制 但并没有副回路 只有一个反馈回路 执行器的输出并不能改变原油的流量 所以不能认为是一个串级控制系统 将 c 与 b 相比较 可知将图 b 中的前馈调节器FC移到了控制回路内 便成了图 c 所表示的形式了 这时如将FC选择为比例调节器 那么原油流量的变化仍能及时通过FC来改变燃料油的流量 起到了静态前馈作用 而TC能根据被控变量 的变化起到反馈作用 图c 是一种形似串级控制但实际上是一种前馈 反馈控制的非标准结构形式 三者的比较串级控制双重控制前馈 反馈控制 串级控制 一个控制器输出作为另一个控制器的设定信号双重控制 一个控制器输出作为另一个控制器的测量信号前馈 反馈控制 一个控制的输出与另一控制器的输出信号叠加 串级控制 双重控制 前馈 反馈控制 前馈一反馈控制与串级控制的比较 串级控制系统 前馈 反馈控制系统 前馈一反馈控制与双重控制的比较 双重控制系统 前馈 反馈控制系统 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 4 2 3前馈控制规律的实施 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 GPD S GPC S GFF S 一般控制仪表以及计算机控制系统中都具有此类模块 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 2 系统中存在可测 不可控的显著干扰 3 工艺要求实现变量间特殊关系的控制 4 2 4前馈控制系统的应用 静态前馈还是动态前馈动态前馈复杂 一般可用静态前馈 特别是两通道时间常数相当时 注意前馈控制和串级控制的区别前馈 反馈 串级控制都有两个控制参数 结构上也有些相似 注意其区别 4 2 5前馈控制系统的参数整定 Kf T1 T2的整定 Kf的整定开环整定法 断开反馈通道 单纯前馈控制 施加干扰 改变Kf 直到控制变量回到给定值闭环整定法 闭环整定法系统方块图 T1T2的整定T1T2属于动态参数的