第八章前馈控制系统

1、幻灯片1过程控制系统仿真电子工业出版社出版2009. 3 作者：郭阳宽王正林 联系邮箱：wa_2003幻灯片2本章内容与目录本章描述了前馈控制系统的基本概念，介绍了前馈控制的基本特点、前馈控制系统的设 计以及前馈控制系统控制器参数整定等基础知识，并通过综合实例的Simuluik仿真分 析讲述前馈控制系统的特点、设计及整定。通过本章，读者对前馈控制的特点、前馈控制系统的作用有较全面的认识，并熟练 通过Smiulnik分析深化对前馈控制的理解。8.1 前馈控制系统基础知识&1.1系统结构8.1.2系统特点8.1.3系统分类8.2 前馈控制系统设计83 综合仿克实例本章小结幻灯片38. 1前馈控制系

2、统基础知识反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存在反馈控制。当然，只要 存在偏差，控制系统就不町能保持在理想控制要求上，而是在理想要求附近摆动。所以, 反馈控制是接近理想要求，但永远也无法保持理想要求的控制。当被控对彖呈现人延迟（如含有较大的容积延迟或纯延迟）或所受干扰较多，干扰 频率较高,要求系统快速反应实现控制目的时，反馈控制系统的控制效果往往不够理想。与反馈控制相比，前馈控制很好的弥补了反馈控制的一些缺点。前馈控制是针对扰 动量及其变化进行控制的。8.1.1系统结构可测干扰M前馈揑制原理因幻灯片48. 1前馈控制系统基础知识8. 1. 1系统结构V _ （XG/?G1G2G3

3、 +MGf） q 1+FGQG2G3干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈的控制原理是给系统附加一个前馈通道（或 称前馈控制器），使所测屋的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。利用扰动所附加的控制 量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。幻灯片58. 1 前馈控制系统基础知识8. 1.2系统特点前馈控制系统主要特点如下：（1）属于开环控制只要系统中各坏节是稳定的，则控制系统必然稳定。但若系统中有一个环节不稳定，或局部 不稳定，系统就不稳定。另外，系统的控制精度取决于构成控制系统的每一部分的精度，所 以对系统各坏节精度要求较高。（2）很强的补偿局限性前馈控制实际是利用同一干扰源经过干

4、扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰 的影响。因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况 的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响 的程度或数学描述关系式。因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。（3）前馈控制反应迅速在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。 这非常有利于大迟滞系统的控制。(4) 只能用于可测的干扰对不可

5、测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。幻灯片68. 1 前馈控制系统基础知识8. 1.3系统分类按结构，前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈- 串级复合控制系统等。1. 静态前馈控制系统静态前馈控制系统的方框图有如图8. 5所示的两种情况。 k 1 丁 1厲丄卄+ +Ge(s)G(s)G?(s)输山Y(s)给定值 X(s对测扰M(s)相比之下，图8.5 (1)形式更为一般，但实际中为了简化分析常采用图8.5 (2)的形式。 幻灯片78. 1前馈控制系统基础知识8. 1.3系统分类2. 动态前馈控制系统E S.7动态甞陵揑岂原匡方崔图前馈调节器是由扰动通道和

6、控制通道的动态特性决定的，而这两个通道的数学模 型在实际中是通过实验及模型辨识等手段获得的，由于系统未知干扰的影响，系统随时间及 环境的变化，辨识不精确性等原因，得到的数学模型只能具有相对精度的。另外，利用得到的数学模型所求的动态前馈调节器，往往由于可实现性、经济性等 方面的考虑，在系统控制精度允许的情况下，也要作适当的调整。所以，实际上动态前馈补偿是有限的，并不能消除由于干扰引起的全部误差。静态前馈控制是动态前馈控制的特例。但是动态前馈控制系统的结构比较复杂， 系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控制装置。只有当工艺要求控制品质 很高时，才使用动态前馈控制方案。幻灯片88. 1

7、前馈控制系统基础知识8. 1.3系统分类【例8-3】精馆塔的动态前馈控制某精馆塔的动态前馈控制系统及其控制方框图如图8. 8所示。其中输出物料浓度为被控制 对象，蒸汽流量为控制量，物料流量为系统的主要干扰因素。I GM I物料流倉QwWit塔円召关系f H(s) Xm塔前馈控制系统方框图(具体内容请参阅教材)幻灯片98. 1 前馈控制系统基础知识8. 1.3系统分类3. 前馈-反馈复合控制系统由前述分析知，反馈控制是针对系统全部干扰进行补偿，是在被控制量“变化了”的基础上 的“滞后补偿”；而前馈控制则是针对系统的某种特定干扰而进行的补偿，是在被控制量“未 变化前”提前进行的超前补偿”。而实际系

8、统的干扰情况往往非常复杂，对所有干扰因素采用前馈控制是不可能的，在要求精 度较高时，完全采用反馈控制又难以实现系统的控制要求。此时，常利用前馈和反馈的优点组成控制系统一一前馈-反馈复合控制系统实现控制过程的 高精度控制要求。前馈-反馈复合控制系统结构有两种形式。町测T扰前愤W；接庄反馈挖制番Z肓幻灯片108. 1 前馈控制系统基础知识8. 1.3系统分类【例8-4前馈-反馈复合控制在高档白板纸绝干量控制中的应用白板纸的结构和普通纸的单层浆不同，由面层、衬层、芯层和底层4层浆复合而成。图8. 10 为白板纸控制系统的原理简图。压榕部总控制系统涂布机 d浓度流址浆 冲浓度计定址阀（具体内容请参阅教

9、材）幻灯片118. 1前馈控制系统基础知识8. 1.3系统分类4. 前馈-串级复合控制系统当系统情况复杂时，为了进行更为“精细”的控制，常把系统的主要干扰用前馈系统抑制, 对中间变量采用内坏反馈控制，对系统控制量采取外坏反馈控制。这样所构成控制系统即为 前馈-串级复合控制系统，其框图如图8. 12所示。幻灯片128. 1前馈控制系统基础知识8. 1. 3系统分类【例8-5】集中供热过程的前馈-串级控制系统我国集中供热的主要方式如图8. 13所示，来自热源的过热蒸汽通过输汽管道输送到换热 站，在换热站过热蒸汽经热交换器加热供热热水，利用串联在供热管道的循环水泵将热水送 到各需热（取暖）用户。供往

10、取履用尸幻灯片138. 1前馈控制系统基础知识至S.L4矢丰供热罢总密菱方程勾（具体内容请参阅教材） 幻灯片148.2 前馈控制系统设计8. 1前馈控制系统基础知识8.2 前馈控制系统设计8. 2.1前馈控制系统选用原则8. 2. 2工程整定8. 3 综合仿真实例本章小结幻灯片158.2 前馈控制系统设计8. 2. 1前馈控制系统选用原则【原则1】：扰动量可测不可控原则【原则2】：控制系统精确辨识原则（具体内容请参阅教材）【原则3】：被控系统自衡原则【原则4】：优先性原则【原则5】：经济性原则幻灯片168.2 前馈控制系统设计8. 2. 2工程整定1. 反馈控制器形式的选择 在含有反馈控制的前

11、馈-反馈复合控制系统中，反馈控制整定的内容主要是确定控制器的形 式及参数。目前，虽然在过程控制中不断有各种先进的控制算法的应用报道。但至今占过程 控制90$以上份额的控制系统仍然采用PID控制调节器。本书的反馈控制器也采用PID控制 调节器。2. 整定的总体原则前馈控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性和反馈控制的静差问题。（1）稳定性稳定性是控制系统正常工作的首要条件。对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况, 更涉及干扰扰动问题。（2）快速性应保证系统响应的快速性。（3）反馈控制的静差在稳态时，反馈控制应能较好地反应系统的控制要求，应做到系统响应和控制要求的一致, 故系统跟踪不应存在

12、静差。3. 静态前馈系统工程整定静态前馈控制系统的工程整定方法主要有两种方法：（具体内容请参阅教材）幻灯片178.2 前馈控制系统设计8. 2.2工程整定4. 动态前馈系统工程整定（具体内容请参阅教材）整定分成静态前馈系数整定、时间常数整定两步。5. 前馈-反馈复合和前馈-串级复合系统工程整定前馈-反馈复合控制和前馈-串级复合控制系统的工程整定方法主要有两种：前馈控制和反馈或串级分别整定，确定各自参数，然后组合在一起；首先整定反馈控制系统或串级控制系统，然后再在反馈或串级的基础上引入前馈控制系统, 并对前馈控制系统进行整定。（具体内容请参阅教材）幻灯片188. 3 综合仿真实例8. 1 前馈控

13、制系统基础知识8.2 前馈控制系统设计8. 3 综合仿真实例8. 3.1静态前馈系统仿真8. 3.2动态前馈系统仿真8. 3.3前馈-反馈复合系统仿真8.3.4前馈-串级复合系统仿真8. 3. 5参数摄动对系统影响仿真本章小结幻灯片198. 3综合仿真实例8. 3.1静态前馈系统仿真【例8.61静态前慣控制系统综合仿頁卖例。静态前慣控制系统的控制方框團如團8.20 所示。给定值囹3.20静态前债控制方框圉（具体内容请参阅教材） 幻灯片208. 3综合仿真实例8. 3.2动态前馈系统仿真【例 甘】动态前馈系统仿真综合实例。动态前馈控制系统的控制方框图如图8.28所示。图S.2S动态前馈控制系统方

14、框图（具体内容请参阅教材） 幻灯片218. 3 综合仿真实例8. 3.3前馈-反馈复合系统仿真【例 悶】前馈仮馈复合系统仿真综合实例如前所述，前馈反愎复合控制系统仿真主 要包括：系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容.其中控制系统整定包括前馈控制系统 整定和反谶控制系统整定两部分。本倒采困前馈、反馈分别整定的方法，假设被控对象传递函数中各都分传递函数如下：干扰通道传递因数为：GfGOqor72（8$+l）（10s + l）蔡统被控部分传递函数为：q（$0（$）= 3给定部分传递谢数为：G：（$） = l（具体内容请参阅教材）【例49】前馈反馈复合系统仿真综合实例。本例和例S8控制对象相同，但在

15、参数整 定中采用先整定反馈参数，然后以所整定的反馈参数为基础整定前馈。（具体内容请参阅教材） 幻灯片228. 3 综合仿真实例8. 3.4前馈-串级复合系统仿真【例8-10前馈串级复合控制系统仿真。在例仍来用例8-7 MM3-9的被控对象。前 馈串级复合控制系统方框图如图&51所示。S.51前馆串级烫合按制系统方框图为对系统仿真应首先确定PL井在PI参数整定的基础上整定前馈控制器G）的参数。（具体内容请参阅教材） 幻灯片238. 3 综合仿真实例8. 3. 5参数摄动对系统影响仿真【例8-11绫例8-6）爵态前馈控制系统鲁棒性.选择例8-6中主动虽投制进行系统色 棒性分析假没主缶量的延时时间常

16、数变化范S 0.0095-0.015,分析系统鲁棒性。（具体内容请参阅教材）【例8-121动态前馈控制系统鲁棒性。（绫例L&7）在公共传递函数中，假设延时时间 常数变化10%,即延时时间4.5-5.5,分析系统鲁棒性。（具体内容请参阅教材）【例SJ3】前债反饿复合控制系统鲁棒性分析。傑例.&S）在圏$9中假设控制通道 延时器1的延时时间常数变化土 10%,即延时时间4.57.5,分析系统鲁擀性。（具体内容请参阅教材）【例8-141前馈串级复合控制系统鲁棒性分析。（MS-IO）在图8.55中假设公共传 递函数中延时时间常数变化士 10%,即延时时间4.55.5,分折系统色棒性。（具体内容请参阅教材）幻灯片24本章小结本章主要讲述了前馈控制系统的基本理论、设计方法和仿真方法：（1）基础知识部分深入细致讲述了前馈控制系统的结构原理、前馈控制系统与反馈控制系统在原理及应用上的 区别、优缺点：总结了前馈控制系统的特点，利用实