第五章 前馈及复合控制系统

1、第五章第五章 前馈及复合前馈及复合控制系统控制系统 Wangyu Process Control System本章主要内容本章主要内容1 1、 前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念( (* *) )2 2 、前馈控制系统的几种结构形式、前馈控制系统的几种结构形式( (* *) )3 3 、前馈控制系统的稳定性、前馈控制系统的稳定性(*)4 4、 前馈控制的选用原则前馈控制的选用原则 5 5 、前馈控制系统工业应用举例、前馈控制系统工业应用举例 6 6、前馈控制系统的工程整定、前馈控制系统的工程整定Wangyu Process Control System前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念复习

2、复习反馈控制的特点反馈控制的特点 ： 基于偏差来消除偏差；基于偏差来消除偏差； “ “不及时不及时”的控制的控制 ； 存在稳定性问题；存在稳定性问题； 对各种扰动均有校正作用；对各种扰动均有校正作用； 控制规律通常是控制规律通常是P P、PIPI、PDPD或或PIDPID等典型规律等典型规律Wangyu Process Control System前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念PIDPID控制是以偏差为输入量进行调节，当扰动输入出控制是以偏差为输入量进行调节，当扰动输入出现时，首先引起偏差产生，控制器才开始动作。即控制输现时，首先引起偏差产生，控制器才开始动作。即控制输出有延迟，若能对干

3、扰信号进行采样，预估其作用，提前出有延迟，若能对干扰信号进行采样，预估其作用，提前产生控制输出，则能减少延迟，提高控制性能。这就是前产生控制输出，则能减少延迟，提高控制性能。这就是前馈控制。馈控制。前馈控制原理前馈控制原理：利用对扰动信号的采样，预估被控量的变：利用对扰动信号的采样，预估被控量的变化而提前产生控制输出，以抑制被控量的变化，达到使被化而提前产生控制输出，以抑制被控量的变化，达到使被控量稳定的目的。控量稳定的目的。特征特征：以扰动作为控制环节的输入信号，属于开环控制。：以扰动作为控制环节的输入信号，属于开环控制。Wangyu Process Control System前馈控制的基

4、本概念前馈控制的基本概念p 前馈控制的技术思路：前馈控制的技术思路： a.a. 直接按扰动而不是按偏差进行控制。直接按扰动而不是按偏差进行控制。 b. b. 干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，干扰发生后，被控量还未显现出变化之前， 控制器就产生了控制作用。控制器就产生了控制作用。p 特点特点 ：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；基于扰动来消除扰动对被控量的影响； 动作动作“及时及时” ” ；属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；定；具有指定性补偿的局限性；具有指定性补偿的局限性； 控制规律取决于被控对象的特性。控

5、制规律取决于被控对象的特性。 Wangyu Process Control System前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念Wangyu Process Control System 前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制比反馈控制及时有效 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统 前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采 用通用用通用PIDPID控制器控制器 一种前馈作用只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就一种前馈作用只能克服一种干扰，反馈控制只用一个控制器就 可克服

6、多个干扰可克服多个干扰前馈控制与反馈控制比较前馈控制与反馈控制比较干扰干扰设定设定测量变送测量变送对象对象执行器执行器反馈控制器反馈控制器被控变量被控变量干扰干扰对象对象前馈控制器前馈控制器测量变送测量变送执行器执行器被控变量被控变量前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念Wangyu Process Control System前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念 WWmm(s(s) : ) : 前馈控制器；前馈控制器； WWo o(s(s) : ) : 过程控制通道传递函数；过程控制通道传递函数； WWf f(s(s) : ) : 过程扰动通道传递函数。过程扰动通道传递函数。Wangyu Pr

7、ocess Control System前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念 原理：根据不变性原理，即被控变量与干扰原理：根据不变性原理，即被控变量与干扰量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立。量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立。推导：推导： Y(S)/F(S)=Y(S)/F(S)=WWf f(S)+W(S)+Wmm(S)W(S)Wo o(s(s)=0)=0所以所以WWmm(s(s)= - )= - WWf f(S)/W(S)/Wo o(s(s) )前馈控制器前馈控制器= = - - 干扰通道对象特性干扰通道对象特性/ /控制通道对象特性控制通道对象特性负号：表示控制通道与干扰通道作用相反。负

8、号：表示控制通道与干扰通道作用相反。前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道对象特性决定对象特性决定 。Wangyu Process Control System前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念1 1）完全补偿难以满足，因为：）完全补偿难以满足，因为： * * 要准确掌握过程扰动要准确掌握过程扰动通道特性通道特性WWf f(s(s) )及控制及控制 通道特性通道特性WWo o(s(s) )是不容易的；是不容易的； * * 即使前馈模型即使前馈模型WWmm(s(s) )能准确求出，有时工程能准确求出，有时工程 上也难以实现；上也难以实现； * *

9、对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个 前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。2 2）只能克服可测不可控的扰动）只能克服可测不可控的扰动 Wangyu Process Control System前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式ofmmKKKsW)(1. 1. 静态前馈控制系统：静态前馈控制系统： 控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。 令前馈控制器传函满足下式即可：令前馈控制器传函满足下式即可：Wangyu Process Control

10、System 动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数。要求前馈控制器函数，而且也是时间的函数。要求前馈控制器的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接近或等于零。近或等于零。 2 2. . 动态前馈控制系统动态前馈控制系统 前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式Wangyu Process Control Systemn 静态前馈控

11、制只能有效抑制静态偏差；动态前馈控制静态前馈控制只能有效抑制静态偏差；动态前馈控制 不但有效抑制静态偏差；而且能有效抑制动态偏差。不但有效抑制静态偏差；而且能有效抑制动态偏差。 n 动态前馈的实现基于动态前馈的实现基于不变性原理不变性原理；其中；其中WWmm(s(s) )非纯比非纯比 例环节。例环节。n 动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质， 但但结构往往比较复杂结构往往比较复杂；需要专门的控制装置；需要专门的控制装置, ,系统运行、系统运行、 整定也比较复杂；整定也比较复杂；n 只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难只有当工艺上对

12、控制精度要求很高，其它控制方案难 以满足、且存在一个以满足、且存在一个“可测不可控可测不可控”的主要扰动时，才的主要扰动时，才 考虑使用动态前馈方案。考虑使用动态前馈方案。 两者区别：两者区别：前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式Wangyu Process Control System3 3、前馈、前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统 特点：特点：吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行的优点及反馈控制能克服多个扰动和具有对被控参数进行反馈检测的长处。反馈检测的长处。实例控制阀控制

13、阀对象对象设定设定测量变送测量变送反馈控制器反馈控制器前馈控制器前馈控制器测量变送测量变送被控变量被控变量干扰干扰进料流量进料流量出口温度出口温度燃料油流量燃料油流量前馈控制器前馈控制器反馈控制器反馈控制器T TT T0 0F FQQFFCFFCTCTCTTTT FTFT加热炉的前馈加热炉的前馈- -反馈控制系统反馈控制系统前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式Wangyu Process Control System上图所示前馈上图所示前馈- -反馈控制系统，对于图反馈控制系统，对于图1 1可知，可知，在扰动在扰动F(sF(s) )的作用下，系统输出为：的作用下，系统输出为： Y (

14、s ) = WY ( s ) = Wf f( s ) F ( s ) + W( s ) F ( s ) + Wmm( s ) W( s ) W0 0( s ) F ( s ) -( s ) F ( s ) -WWc c(s)W(s)W0 0(s)Y(s)(s)Y(s)输出对扰动输出对扰动F(s)F(s)的传递函数：的传递函数：)()(1)()()()()(sWsWsWsWsWsFsYocomf 单回路前馈单回路前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式Wc(sWc(s) )Wangyu Process Control System分析得到：分析得到：

15、 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。 令令Y(s)/F(s)=0Y(s)/F(s)=0即可。即可。 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性 前馈前馈-反馈控制的优点反馈控制的优点 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯 前馈控制系统；前馈控制系统； 降低了对前馈控制精度的要求，对工况变动引起的对象降低了对前馈控制精度的要求，对工况变动引起的对象 非线性特性参数的变化具有一定自适应能力；非线性特性参数的变化具有一定自适应能力； 比纯反馈控制具有控制精度高、

16、稳定速度快的特点。比纯反馈控制具有控制精度高、稳定速度快的特点。因而是前馈控制中广泛应用的控制系统因而是前馈控制中广泛应用的控制系统前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式)()(1)()()()()(sWsWsWsWsWsFsYocomfWangyu Process Control System加热炉出口温度前馈加热炉出口温度前馈- -串级控制系统串级控制系统出口温度出口温度燃料油流量燃料油流量进料流量进料流量 方法的提出方法的提出 当生产过程受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响且对控制精当生产过程受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响且对控制精度和稳定性要求又很高时，采用前馈度和稳定性要求又

17、很高时，采用前馈- -串级控制系统。串级控制系统。4 4. . 前馈前馈- -串级控制串级控制系统系统 前馈控制器前馈控制器反馈副控制器反馈副控制器反馈主控制器反馈主控制器说明：系统中副调节器为说明：系统中副调节器为 流量调节器流量调节器FCFC， 前馈控制器前馈控制器FFCFFC采采 用动态前馈模型。用动态前馈模型。 前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式Wangyu Process Control System前馈前馈- -串级复合控制系统框图串级复合控制系统框图前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式WW0 0(s)(s)()(1)()()()()(sWsWsWsWsWsFsY

18、ocomf前馈前馈- -反馈系统中：反馈系统中：Wangyu Process Control System)(/ )()()(1)(/ )()()()()()(22011220111sXsYsWsWsXsYsWsWsWsFsYcmf简化框图简化框图)(/ )()()()(2201sXsYsWsWsWmf前馈控制的几种结构形式前馈控制的几种结构形式Wangyu Process Control System 对系统中每一个组成环节的稳定性程度都必须对系统中每一个组成环节的稳定性程度都必须 予以足够的重视。予以足够的重视。 对于无自衡能力的生产过程，通常不能单独使对于无自衡能力的生产过程，通常不能单

19、独使 用前馈控制方案。用前馈控制方案。 对于前馈对于前馈- -反馈或前馈反馈或前馈- -串级控制系统，只要反串级控制系统，只要反 馈控制系统或串级系统是稳定的，则相应的前馈控制系统或串级系统是稳定的，则相应的前 馈馈- -反馈或前馈反馈或前馈- -串级控制系统也是稳定的。串级控制系统也是稳定的。前馈控制的稳定性前馈控制的稳定性Wangyu Process Control System前馈控制的选用原则前馈控制的选用原则1 1. . 扰动扰动可测可测但是但是不可控不可控；2 2. . 变化频繁变化频繁且变化比较且变化比较快快的扰动；的扰动；3 3. . 扰动扰动影响显著影响显著，反馈控制难以及时

20、克服，且，反馈控制难以及时克服，且 过程对控制精度要求又十分严格的情况过程对控制精度要求又十分严格的情况实现前馈控制的必要条件：实现前馈控制的必要条件：“可测可测”是指扰动量可以通过测量变送器，在线是指扰动量可以通过测量变送器，在线地转换为前馈补偿器所能接受的信号。地转换为前馈补偿器所能接受的信号。扰动量扰动量“不可控不可控”：指扰动量与控制量之间相互：指扰动量与控制量之间相互独立，难以或不允许通过专门的控制回路予以控独立，难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。制，如生产中的负荷。 例如例如 ：加热炉温度系统，扰动量被加热物料的流量和初始温度与燃料：加热炉温度系统，扰动量被加

21、热物料的流量和初始温度与燃料热值的变化、压力、流量的变化，符合不可控性，可采用前馈控制。热值的变化、压力、流量的变化，符合不可控性，可采用前馈控制。 扰动量为烟囱挡板位置的变化将影响炉膛传递函数，即影响控制扰动量为烟囱挡板位置的变化将影响炉膛传递函数，即影响控制通道的传递函数，即会影响通道的传递函数，即会影响WW0 0(s)(s)，因而不能采用前馈控制。因而不能采用前馈控制。 Wangyu Process Control System前馈控制系统的工业应用举例前馈控制系统的工业应用举例 冷凝器温度冷凝器温度前馈前馈- -反馈反馈复合控制系统复合控制系统工艺：工艺：从汽轮机出来的蒸汽经冷凝器以后

22、，变成温水，再由循环泵送至从汽轮机出来的蒸汽经冷凝器以后，变成温水，再由循环泵送至 除氧器，经过除氧处理后的温水，可继续作为发电锅炉的给水。除氧器，经过除氧处理后的温水，可继续作为发电锅炉的给水。 Wangyu Process Control System冷凝器温度前馈冷凝器温度前馈- -反馈复合控制系统反馈复合控制系统： (1) (1) 冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度，控制冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度，控制 量是冷却水的流量。量是冷却水的流量。 (2) (2) 系统采用前馈系统采用前馈- -反馈控制方式，利用蒸汽和被冷反馈控制方式，利用蒸汽和被冷 却后的温水温度信号控制冷却水的阀门

23、开度。却后的温水温度信号控制冷却水的阀门开度。 (3) (3) 蒸汽流量是可测不可控且经常变化的扰动因蒸汽流量是可测不可控且经常变化的扰动因 素，对蒸汽的流量进行前馈控制，使冷却水流素，对蒸汽的流量进行前馈控制，使冷却水流 量跟随蒸汽流量的变化而提前变化。量跟随蒸汽流量的变化而提前变化。前馈控制系统的工业应用举例前馈控制系统的工业应用举例 Wangyu Process Control System汽包水位控制系统汽包水位控制系统 1. 1. 单回路反馈控制单回路反馈控制 2. 2. 前馈前馈- -反馈控制反馈控制 FFCFFC前馈控制系统的工业应用举例前馈控制系统的工业应用举例 Wangyu

24、Process Control System3. 3. 汽包水位的三冲量控制汽包水位的三冲量控制（前馈（前馈- -串级复合控制系统）串级复合控制系统）FFCFFC前馈控制系统的工业应用举例前馈控制系统的工业应用举例 Wangyu Process Control System作业作业 4-9 4-9、4-114-11，4-124-12 ，4-13，4-18 Wangyu Process Control System前馈控制的工程整定前馈控制的工程整定前馈控制器参数的整定方法：前馈控制器参数的整定方法： n 前馈控制模型由过程扰动通道及控制通道特性前馈控制模型由过程扰动通道及控制通道特性 的比值决

25、定。的比值决定。n 被控过程的控制通道及扰动通道处理成一阶容被控过程的控制通道及扰动通道处理成一阶容 量滞后，必要时加上一个纯滞后的形式，即：量滞后，必要时加上一个纯滞后的形式，即： Wangyu Process Control System 可得：可得： sesTKsW11)(110sfesTKsW21)(22sMmesTsTKsW11)(21KKMM-静态前馈系数静态前馈系数, ,KKMM=K=K2 2/K/K1;1;T T1 1,T,T2 2-分别为控制通道及扰动通道时间常数分别为控制通道及扰动通道时间常数; ; -扰动通道与控制通道纯滞后时间之差扰动通道与控制通道纯滞后时间之差; ;12前馈控制的工程整定前馈控制的工程整定Wangyu Process Control System前馈控制的工程整定前馈控制的工程整定1. 1. 静态参数静态参数KMKM的确定的确定 在整定好闭环在整定好闭环PIDPID控制系统后，加入前馈控制；控制系统后，加入前馈控制； 当当KKMM值过小时，不能显著地改善系统的