第5章 前馈控制系统

1、过程控制工程 第第5章前馈控制系统章前馈控制系统 第 7课 Process Control EngineeringProcess Control Engineering 北京化工大学 信息科学与技术学院自动化系 宿翀 前馈控制系统前馈控制系统 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验实验：前馈控制系统实验 第第5章章

2、 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 反馈反馈 亡羊补牢亡羊补牢 前馈前馈 防患于未然防患于未然 偏差偏差 干扰干扰 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 用加热载体的流量控制被加热流体的温度用加热载体的流量控制被加热流体的温度-滞后控制滞后控制 前馈控制前馈控制-按干扰进行控制的开环控制方式按干扰进行控制的开环控制方式 (a) 反馈控制方案反馈控制方案 FBC 例子：例子：换热器温度控制换热器温度控制 TC F Fs 1 干扰与操纵量的区别干扰与操纵量的区别? 按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响-超前控制超前控制 换热器进料

3、量为出口温度的主要干扰量，可通过流量测量，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。量变化对出口温度的影响。 （b）前馈控制方案）前馈控制方案FFC 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 Gff F Fs 1 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 1 t F 前馈控制系统的补偿过程前馈控制系统的补偿过程 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 （1）按干扰作用的大小进行控制）按干扰作用的大小进行控制

4、提前，控制及时提前，控制及时 控制的依据控制的依据检测的信号检测的信号 控制作用的控制作用的 发生时间发生时间 反馈控制反馈控制 前馈控制前馈控制 被控变量的偏差被控变量的偏差 干扰量的大小干扰量的大小 被控变量被控变量 干扰量干扰量 偏差出现后偏差出现后 偏差出现前偏差出现前 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 （2） 前馈控制属于开环控制前馈控制属于开环控制 GPD(s) GPC(s)Gff(s) 1 F 图图5-3 系统方块图系统方块图 开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计 的要求比较严格的要求比较严格(GPC

5、(s)为控制通道传函, GPD(s) 为干扰通道传函为干扰通道传函) 对象对象 不象反馈控制通用不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不算法，前馈控制算法依对象不 同而不同。前馈控制器设计依据同而不同。前馈控制器设计依据“扰动补偿理论扰动补偿理论” 5.1 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 （3） 是一种根据对象特性设计的是一种根据对象特性设计的“专用专用”控制器控制器 GPD(s) GPC(s)Gff(s) 1 F )( )( )( sG sG sG PC PD ff 缺点缺点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式前馈控制系统的几种主要结构形式 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制

6、系统5.2.1 Gff F Fs 1 动态前馈控制动态前馈控制 实现动态干扰补偿实现动态干扰补偿 )( )( )( sG sG sG PC PD ff 静态前馈控制静态前馈控制 实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高） fff KsG)( 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1 图图5-4 锅炉汽包三冲量控制锅炉汽包三冲量控制 FC LC 蒸汽量蒸汽量 D 液位液位 L 流量流量 F 静态前馈控制系统静态前馈控制系统例子例子1： 给水给水 蒸汽蒸汽 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5

7、.2.1 对于较为简单的对象，可以写出静态方程式对于较为简单的对象，可以写出静态方程式 Gff F Fs 1 2 )( 21 i S P S h C FF 例子例子2： Cp - 比热比热 hs - 蒸汽的蒸汽的 汽化潜热汽化潜热 静态前馈控制系统静态前馈控制系统 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1 )( 21 i S P S h C FF 图图5-5 换热器的静态前馈控制流程原理图换热器的静态前馈控制流程原理图 FC 1i F 2 Cp/hs 开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。 单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统5.2.1 有时，为了提

8、高动态品质，可在静态前馈基础上有时，为了提高动态品质，可在静态前馈基础上 适当加入动态环节适当加入动态环节 Gff D.F S.F K 1i 2 F Cp/hs 单纯前馈控制要注意系统稳定性问题：单纯前馈控制要注意系统稳定性问题： 开环通道稳定，开环通道稳定，FFC稳定；稳定； 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统5.2.2 反馈、前馈取长补短，形成前馈反馈、前馈取长补短，形成前馈反馈控制方案反馈控制方案 （FFCFBC） 对主要干扰进行前馈控制对主要干扰进行前馈控制校正及时校正及时 对其它干扰进行反馈控制对其它干扰进行反馈控制反馈校正，多干扰控制反馈校正，多干扰控制 单纯前馈控制的局限性：单纯

9、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）不能根据偏差进行控制效果检验（不能反馈） 而不断纠正偏差而不断纠正偏差 （2）受模型精度影响）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）一个前馈控制只能处理一个扰动 前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统5.2.2 图图5-7 5-7 换热器换热器FFC-FBCFFC-FBC系统系统 + GffTC FS F 1 FFC按负荷按负荷F的变化校正蒸汽量的变化校正蒸汽量Fs FBC根据温度偏差，对蒸汽量根据温度偏差，对蒸汽量Fs进行进一步校正。进行进一步校正。 FFC与与FBC作用叠加，又称复合控制系

10、统作用叠加，又称复合控制系统。 图58 典型FFCFBC系统方块图 GPD (s) GC（s） GPC（s） Gff（s） 1i 1 F )()(1 )()( sGsG sGsG PCC PCff )( )( 1 sF s )()(1 )( sGsG sG PCC PD )( )( )( sG sG sG PC PD ff GPD(s)十Gff(s)GPC(s)0 应用不变性条件：应用不变性条件： F(s)0，1(s)0 代入上式中，即可推导出前馈控制器的传递函数：代入上式中，即可推导出前馈控制器的传递函数： FFCFBC系统实现完全补偿的条件是相同的系统实现完全补偿的条件是相同的 FFC-F

11、BCFFC-FBC优点：优点： Gff + TC FC FS F 图图5-9 换热器的前馈换热器的前馈-串级控制系统串级控制系统 )()( )( )( 2 sGsG sG sG PCp PD ff GPD(s)Gff(s) GC(s) GPC(s)GC2(s)GP2(s) F 1i 1 )()(1 )()( )( 22 22 2 sGsG sGsG sG pc pc p )( )( )( sG sG sG PC PD ff s e Ts K sG 1 )( 1 1 2 sT -K +K +1 2 1 1 s f + - + 输入 输出 1 1 2 1 sT sT s s e f f s f 2

12、 1 1 2 1 1 s f e sT sT 1 1 2 1 实施实施 Kf K 1/(T2s+1) 输入输入 + + K=T1/T2-1 输出输出 图图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图）实施框图 ) 1(1 )( 1 T t ff eKtm =T1/T2 1 l （输出）（输出） mf (对象滞后大对象滞后大 于干扰滞后于干扰滞后) T2CT1CGff + TC 燃油 燃油 原料油 原料油 (a)串级控制系统 (b)前馈反馈控制系统 图图514 加热炉的两种控制系统加热炉的两种控制系统 图图5l 5 设计错误的串级控制设计错误的串级控制 系统系统 TCFC F TC FC 原料油 燃油 1 1 )( 2 1 sT sT KsG fff K Kf f T T1 1 T T2 2 的整定的整定 GPC GC GffGPD D(s)