前馈反馈控制技术

1、 牛牛文库文档分享1 前面各部分讨论的控制系统，都是带有反馈的闭环系 统。当被控系统受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差， 控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。 若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生 后再进行控制，这样就能更有效地消除扰动对被控参数的 影响。前馈控制就是依据这个思路提出来的。 牛牛文库文档分享2 反馈控制的特点 例如图所示为换热器温度控制系统原理框图。图中：Q2 为热流体温度；Q1为冷流体温度，q为流体的流量，qD为蒸 汽的流量，pD为蒸汽的压力，kv为调节阀开度。 5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点 牛牛文库文档分享3 上图中，当扰动（物料

2、流量q，入口温度q1，蒸汽压力pD） 发生后，引起： 22202 Dv qke 5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点 牛牛文库文档分享4 5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点 反馈控制的特点为： u 反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有 偏差出现，也就没有控制作用。 u无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏差后， 调节器才动作。故调节器的动作总是落后于扰动作用的发 生，是一种相对“不及时”的控制。 牛牛文库文档分享5 前馈控制的特点 例换热器前馈控制。如果该系统中物料流量q是被控量q2 的主要扰动。如果q变化频繁且幅值大，对出口温度q2的影 响

3、最大。这时可考虑采用前馈控制。 2 vft kuq 5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点 牛牛文库文档分享6 u 前馈控制器“基于扰动来消除扰动对被控量的影 响”，又称前馈控制为“扰动补偿”。 u 扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被 控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。 u 前馈控制属于开环控制。因此只要系统中各环节是 稳定的，则控制系统必然稳定。 u 一条前馈只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正 作用，而对系统中的其它扰动无校正作用。 u 前馈控制器的控制律有时较复杂。 5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点 牛牛文库文档分享7 1、不变性原理：控

4、制系统的被控量与扰动量完全无关， 或在一定的准确度下无关。 任何一个系统，总是希望被控量受扰动的影响越小 越好。如图： 当f(t)不为零时，该系统的不变性定义为：0)(ty 按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度， 有绝对不变性、e不变性和稳态不变性等几种不变性类 型。 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-不变性原理 牛牛文库文档分享8 绝对不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)在 整个过程中始终保持不变。即e动e静0。如下图所示。 图中；f(t)为扰动，y1(t)为由扰动 引起的被控参数的变化。y2(t)为 前馈控制器对被控参数的影响。 y(t)为被控参数的实际变化量

5、。 y(t)=y1(t)+y2(t)=0 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计 牛牛文库文档分享9 e不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)的偏 差小于一个很小的e值。即|y(t)|e，当f(t)不为零时。 稳态不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，虽然被控参数 y(t)的动态偏差不为零，但其静态偏差恒为零，即： 0)( , 0)(lim tfty t 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计 牛牛文库文档分享10 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器 2、前馈控制器： 前馈控制器的设计依据是不变性原理。前馈控制系统由 两部分组成。当扰动发生后，通过扰动通道引起被

6、控量的 变化。同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的 控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以 抵消扰动对被控对象的影响。 牛牛文库文档分享11 前馈控制器的典型结构 图中，Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数；Dn(s)是前馈 控制器的传递函数；G(s)被控对象的传递函数。n为可测不 可控的干扰；y为被控参数；假定u10，有： )()()()()()()( 21 sNsGsGsDsYsYsY nn 整理得： )()()( )( )( sGsGsD sN sY nn 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构 牛牛文库文档分享12 根据绝对不变性原理： 0)

7、()()( )( )( sGsGsD sN sY nn 由此得到前馈控制器传递函数为： )( )( )( sG sG sD n n 也可由e不变性或稳态不变性原理来设计前馈控制器。（略） 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构 牛牛文库文档分享13 静态前馈控制系统 根据稳态不变性原理设计静态前馈控制器。这种补偿 只能在稳态时实现对扰动的补偿。 m n n K sG sG sD )( )( )( 动态前馈控制系统 根据绝对不变性原理设计动态前馈控制器。 )( )( )( sG sG sD n n 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-静态和动态前馈控制系统 牛牛文库文档分享

8、14 前馈反馈控制系统 （一） 前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制； 完全补偿难以实现。（1）难以准确地掌握过程扰动通 道和控制通道Gn(s) 和G(s)的特性。有些过程对象常含有非 线性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一 的前馈模型难以适应。（2）有些前馈模型Dn(s)难以实现， 只能用计算机完成。（3）一个扰动需要一个测量变送装 置，干扰多时，造成控制系统庞大。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享15 （二） 前馈反馈控制系统 为了解决上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对扰 动的补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用

9、的优点，可组 成前馈反馈控制系统。 例炼油装置加热炉的前馈反馈控制系统。图中，q为 被控量，物料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前 馈控制。当qF变化时，通过FT，FFC的信号变化，从而调 节阀门的开度，改变q。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享16 （三） 典型前馈反馈控制系统结构图 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享17 n 典型前馈反馈控制系统控制效果分析（一） 图(a)中前馈信号接在反馈控制器之后。可知：在扰动N(s) 的作用下，系统的输出为： )()()()()()()()()(sYsGsDsNsGsDs

10、NsGsY nn 上式中：右边第一项为干扰对输出量的影响，第二项为前 馈校正作用，第三项为反馈校正作用。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享18 传递函数为： )()(1 )()()( )( )( sGsD sGsDsG sN sY nn 分析 (1)：在单纯的 前馈控制时，有： )()()( )( )( sGsDsG sN sY nn 与上式相比，前馈反馈控制时干扰对被控量的影响比单纯 前馈控制小 倍。 )()(1 1 sGsD 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享19 分析 (2)：在前馈 反馈控制系统中，根 据绝对不变

11、性原理得： )( )( )( 0 )()(1 )()()( )( )( sG sG sD sGsD sGsDsG sN sY n n nn 这与单纯前馈控制系统时相同 分析(3)：在反馈控制系统中，稳态精度与稳定性存在矛盾。 而前馈反馈控制能在一定的程度上解决这一矛盾，提高控 制品质。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享20 n 典型前馈反馈控制系统 控制效果分析（二） 图(b)中前馈信号接在反馈控 制器之前。可知：在扰动N(s) 的作用下，系统的输出为： )()()()()()()()()()(sYsGsDsNsGsDsDsNsGsY nn 传递函数为：

12、)()(1 )()()()( )( )( sGsD sGsDsDsG sN sY nn 在完全补偿条件下（绝对不变性），前馈控制器为： )()( )( )( sGsD sG sD n n 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享21 （四）数字前馈反馈控制算法 图中：T为采样周期；Dn(z)为前馈控制器； D (z)为反馈控 制器； H(s)为零阶保持器； 假设： 21 2 2 1 1 21 1 )( 1 )( ， ss n e sT K sGe sT K sG 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享22 12 21 1 2 /

13、1 /1 )( )( )( TK TK Ke Ts Ts K sN su sD f s f n n ， )( 1)( )( 1)( 21 tn Tdt tdn Ktu Tdt tdu fn n 若采样周期T足够短（并设t=mT，即纯滞后时间t是采样周 期T的整数倍） ，可对微分项离散化，得到差分方程。 )( )( )( sG sG sD n n 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 21 2 2 1 1 21 1 )( 1 )( ， ss n e sT K sGe sT K sG 牛牛文库文档分享23 )( 1)( )( 1)( 21 tn Tdt tdn Ktu Tdt

14、tdu fn n T mkumku dt tdu T kuku dt tdu Tdt mkntn kutu nnn nnn nn ) 1()()( ) 1()()( )()( )()( )()( )( ) 1()() 1()( 1 1 1 12 21 1 1 1 11 TT T KB TTT TTT KB TT T A mknBmknBkuAku fmfm mmnn ， 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享24 （五）数字前馈反馈控制算法步骤 步骤一计算反馈控制的偏差e(k)；e(k)=r(k)-y(k) 步骤二计算反馈控制器（PID）的输出u1(k)；

15、)() 1()( )1()()()()( 111 1 kukuku kekeKkeKkeKku dip 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 牛牛文库文档分享25 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 步骤三计算前馈控制器Dn(s)的输出un(k)； )() 1()( ) 1()() 1()( 11 kukuku mknBmknBkuAku nnn mmnn 步骤四计算前馈反馈控制器的输出u(k)； )()()( 1 kukuku n 牛牛文库文档分享26 （六）前馈控制系统的稳定性 前馈控制是开环控制，必须要求系统中的每一个环节 要稳定。对于无自平衡能

16、力的系统，不能单独使用前馈控 制。 事实上，只要反馈或串级控制系统的稳定的，则相应 的前馈反馈系统或前馈串级控制系统也是稳定的。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈控制系统的稳定性 牛牛文库文档分享27 （七）前馈控制的选用原则 实现前馈控制的必要条件是扰动量不可控但可测。 可测： 指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈 补偿器可接受的信号。不可测的信号不能实现前馈。 不可控： 指扰动量难以通过专门的控制回路予以控制。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则 牛牛文库文档分享28 扰动量变化频繁且幅度较大 在扰动量N(s)的作用下， 输出量： )( )()(1

17、)()()( )( 1 sN sGsD sGsDsG L ty nn 扰动量N(s)的幅值越大，输出量y(t)越大。这时单纯使 用反馈控制，动态偏差可能很大。可以考虑使用前馈控制。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则 牛牛文库文档分享29 前馈串级控制系统 在实际应用中，常采用前馈串级控制系统结构。如下 图所示。 图中：D1(s)、D2(s)分别为主、副控制器传递函数； Dn(s) 为前馈控制器传递函数；G1(s)、G2(s)分别为主、副对象。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统 牛牛文库文档分享30 前馈串级控制能及时克服进入前馈回路和串级副回路的干 扰

18、对被控量的影响，因前馈控制的输出不是直接作用于执行 机构，而是补充到串级控制的副回路的给定值中，这样就降 低了对执行机构动态响应性能的要求。这也是前馈反馈控 制被广泛采用的原因之一。 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统 牛牛文库文档分享31 设副回路的传递函数为W2(s)。则上图可简化为： )()()(1 )()()()( )( )( 121 12 sGsWsD sGsWsDsG sN sY nn 则： )()()()()()()()()()()( 12112 sYsGsWsDsNsGsWsDsNsGsY nn 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统 牛牛文库文

19、档分享32 当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路是 一个快速的比例随动系统，可以近似写为： 1)( 2 sW 则前馈控制器为： )( )( )( 1 sG sG sD n n 根据绝对不变性原理，要求对N(s)进行完全的补偿，即 Y(s)/N(s)=0，则有： )()( )( )( 12 sGsW sG sD n n )()()(1 )()()()( )( )( 121 12 sGsWsD sGsWsDsG sN sY nn 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统 牛牛文库文档分享33 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子) 牛牛文库文档分享3

20、4 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子) 牛牛文库文档分享35 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子) 牛牛文库文档分享36 反馈控制和前馈控制的特点 不变性原理与前馈控制器 前馈控制的几种结构形式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈反馈控制系统 数字前馈反馈控制算法 数字前馈反馈控制算法步骤 前馈控制的选用原则 前馈串级控制系统 本节小结 牛牛文库文档分享37 反馈控制的特点 例如图所示为换热器温度控制系统原理框图。图中：Q2 为热流体温度；Q1为冷流体温度，q为流体的流量，qD为蒸 汽的流量，pD为蒸汽的压力，kv为调节阀开度。 5.4.

21、1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点 牛牛文库文档分享38 绝对不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)在 整个过程中始终保持不变。即e动e静0。如下图所示。 图中；f(t)为扰动，y1(t)为由扰动 引起的被控参数的变化。y2(t)为 前馈控制器对被控参数的影响。 y(t)为被控参数的实际变化量。 y(t)=y1(t)+y2(t)=0 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计 牛牛文库文档分享39 （二） 前馈反馈控制系统 为了解决上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对扰 动的补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用的优点，可组 成前馈反馈控制系统。 例炼油装置加热炉的前馈反馈控制系统。图中，q为 被控量，物料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前 馈控制