工业过程控制工程__前馈及比值控制

1、第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 1第七章 前馈及比值控制 7.1 7.1 前馈控制系统的前馈控制系统的原理原理与特点与特点 7.2 7.2 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 7.3 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计）前馈控制规律的实施（系统设计） 7.4 7.4 比值控制系统比值控制系统 本章的主要内容本章的主要内容: :第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 27.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理 P83 1）前馈控制的）前馈控制的概念概念 2）前馈控制的）前馈控制的基本原理基本原理 3）不变性原理（前馈控制的理论基础）不变性原理（前馈

2、控制的理论基础）7.1.2 前馈控制系统的前馈控制系统的特点特点 P85 1）前馈控制的特点）前馈控制的特点 2） 前馈控制与反馈控制的前馈控制与反馈控制的比较比较 7.1 7.1 前馈控制系统的原理与特点前馈控制系统的原理与特点本节的主要内容本节的主要内容: :第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 3前馈控制的前馈控制的概念概念 P83 把影响过程控制的把影响过程控制的主主要扰动预要扰动预先先测测量出来，再量出来，再根据对象的物质（或能量）根据对象的物质（或能量）平衡条件，计算出适应扰平衡条件，计算出适应扰动的调节量进行调节，使动的调节量进行调节，使被控变量维持在设定值上。被控变量维持

3、在设定值上。这种这种按扰动进行按扰动进行的的开环控开环控制制方式称为前馈控制。方式称为前馈控制。7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理y前馈前馈控制器控制器对象对象前馈控制系统的方块图前馈控制系统的方块图第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 4例：例：换热器出口温度控制换热器出口温度控制 P83图图7.1-1 Gff：前馈控制器：前馈控制器 TC：温度控制器：温度控制器 ：变送器：变送器 工作过程工作过程： 加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热量传给排管内被加热的物料。量传给排管内被加热的物料。7.1.1 7.1.1 前馈控制

4、和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 5例：换热器出口温度控制例：换热器出口温度控制 P83图图7.1-1 出口温度出口温度 T 的控制：的控制： 由蒸汽管路上的控制阀来进行由蒸汽管路上的控制阀来进行 引起引起 T 变化的因素：变化的因素： 因素很多，最因素很多，最主要主要的的扰动扰动是加热物料的是加热物料的流量流量Q 当流量当流量Q发生扰动时，出口温度发生扰动时，出口温度 T 就会产生就会产生 偏差偏差7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 67.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理

5、前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 7用用一般一般的控制的控制方案方案： 控制器根据温度控制器根据温度T 的的偏差偏差进行控制，当进行控制，当Q发生扰动时，要等发生扰动时，要等T变化后，控制器才开变化后，控制器才开始动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又始动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又要经过热交换的惯性，才会使要经过热交换的惯性，才会使T变化。这样，变化。这样，可能使可能使T产生较大的产生较大的动态误差动态误差。7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 8另外一种控制方案另外一种控制方案： 根据被

6、加热物料根据被加热物料流量流量Q的变化信号，通过一的变化信号，通过一个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量变化反映到出口温度变化反映到出口温度T变化以后再去操作，而是变化以后再去操作，而是根据流量的根据流量的变化变化，立即立即对调节阀进行对调节阀进行操作操作，甚，甚至可以在至可以在T还没有变化前就及时对流量还没有变化前就及时对流量Q的扰动的扰动进行补偿进行补偿. 以上的控制称为以上的控制称为前馈控制前馈控制，这个扰动补偿，这个扰动补偿器称为器称为前馈控制器前馈控制器7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值

7、控制前馈及比值控制 9前馈控制系统前馈控制系统方块图方块图：P84 图图7.1-2 （7.1-1） Gff（s）: 前馈控制器传函（前馈补偿器）前馈控制器传函（前馈补偿器） GPD（s）: 对象对象干扰通道干扰通道传函传函 GPC（s）: 对象对象控制通道控制通道传函传函7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理) s (G) s (G) s (G) s () s (pcffPDFY第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 107.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 11系统对扰动系统对扰动的的全补偿条

8、件全补偿条件： P84 当（当（s）0时，要求（时，要求（s）= 0 （7.1-3） 满足上式的前馈补偿装置，能使满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受不受f(t)变化影响变化影响7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理)s(G)s(G)s(GpcPDff第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 12全补偿过程全补偿过程: P84 图图7.1-3 当当F阶跃变化时，阶跃变化时，yc ( t)和和yd(t)的变化曲线的变化曲线 方向方向相反，相反，幅值幅值相同。相同。 合成结果合成结果： y ( t) = yc ( t) + yd(t) = ct 连续维持在连续维持在

9、恒定恒定的设定值上的设定值上7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 137.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 14 不变性原理的不变性原理的理论基础理论基础 P84 “不变性不变性”的的概念概念： 控制系统的控制系统的被控变量被控变量与与扰动量扰动量完全完全无关无关。 然而然而，进入控制系统中的扰动必须通过进入控制系统中的扰动必须通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离给定值的变化。给定值的变化。 不变性原理不变性原理

10、是通过前馈控制器的校正作是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。用，消除扰动对被控变量的这种影响。7.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 15 不变性的类型不变性的类型 P847.1.1 7.1.1 前馈控制和不变性原理前馈控制和不变性原理就成为选择不变性主要的扰动实现不变性对其中几个若系统采用了被控变量作用。往往受到若干个扰动的选择不变性：被控变量扰动量无关稳态工况下被控变量与稳态不变性：指系统在的不变性在一定误差为或者说与绝对不变性存有一定限制的不变性，误差不变性：指准确度终不变）在整个过渡过程中始（被控

11、变量）的作用下（扰动量绝对不变性：指系统在tytf第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 16前馈控制的特点：前馈控制的特点： P85前馈控制是前馈控制是按照扰动按照扰动作用大小作用大小进行控制进行控制的，的，如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制要要及时及时；前馈控制属于前馈控制属于开环控制开环控制系统。反馈控制系系统。反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产生控制作用后，对被控变量的影响并不返生控制作用后，对被控变量的影响并不返回来影响控制

12、器的输入信号（扰动量）。回来影响控制器的输入信号（扰动量）。7.1.2 7.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 17前馈控制的特点：前馈控制的特点： 前馈控制系统是一个前馈控制系统是一个开环开环控制系统，这一控制系统，这一点从某种意义上来讲是前馈控制的点从某种意义上来讲是前馈控制的不足不足之之处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制结果能够通过反馈获得检验。而结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制前馈控制的效果并不通过反馈加以检验。的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈因此前馈控制对被控对象的特性了解必须比反馈控

13、控制对被控对象的特性了解必须比反馈控制清楚的多，才能得到一个比较合适的前制清楚的多，才能得到一个比较合适的前馈控制作用馈控制作用。7.1.2 7.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 18前馈控制的特点：前馈控制的特点：前馈控制使用的是视前馈控制使用的是视对象对象而定的而定的专用控制专用控制器器。一般的反馈控制系统均采用通用的。一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的；将是不同的；前馈控制只能克服前

14、馈控制只能克服可测的扰动可测的扰动量的影响，量的影响，如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。7.1.2 7.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 19前馈控制与反馈控制的比较：前馈控制与反馈控制的比较：P85表表7.1-17.1.2 7.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 控制控制的的依据依据检测检测的的信信号号控制作用的控制作用的发生时间发生时间反馈反馈控控制制被控变量被控变量的的偏差偏差被控变量被控变量偏差出现后偏差出现后前馈前馈控控制制扰动量的扰动量的大小大小扰动量扰动量偏差出现前偏差出现

15、前第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 20前馈前馈控制与控制与反馈反馈控制的控制的比较比较： 反馈控制反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进是按被控参数与给定值的偏差进行控制的，如果干扰已经发生，而被控参行控制的，如果干扰已经发生，而被控参数都还没有变化，则控制器不会产生校正数都还没有变化，则控制器不会产生校正作用。故反馈控制作用。故反馈控制落后于干扰作用落后于干扰作用，对干，对干扰的控制不及时。扰的控制不及时。 前馈控制前馈控制是按照干扰作用进行控制的，是按照干扰作用进行控制的，对干扰的控制是及时的对干扰的控制是及时的。理论上对干扰影。理论上对干扰影响可以达到完全补偿，使被控参数不变。

16、响可以达到完全补偿，使被控参数不变。7.1.2 7.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 21前馈前馈控制与控制与反馈反馈控制的控制的比较比较： 前馈前馈控制对控制对时间常数或滞后时间较大时间常数或滞后时间较大、干扰大而频繁干扰大而频繁的的对象对象有显著效果。而反馈控有显著效果。而反馈控制对此类对象的控制难以满足要求。制对此类对象的控制难以满足要求。前馈前馈控制是控制是开环开环控制，其控制效果不通过反控制，其控制效果不通过反馈来检验；馈来检验； 反馈反馈控制是控制是闭环闭环控制，其控制效果要通过控制，其控制效果要通过反馈来检验。反馈来检验。7

17、.1.2 7.1.2 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 227.2.1 静态前馈静态前馈 P857.2.2 动态前馈动态前馈 P86 7.2.3 前馈反馈控制系统前馈反馈控制系统 P877.2.4 前馈串级控制系统前馈串级控制系统 P887.2.5 多变量前馈多变量前馈 P897.2 7.2 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 本节的主要内容本节的主要内容: :第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 23概念概念：指前馈控制器的输出与输入为一个静指前馈控制器的输出与输入为一个静 态系统，与时间因子无关态系统，与时间因子无关。

18、 在在生产过程中，有时只要求在生产过程中，有时只要求在稳定工稳定工况下况下实现对扰动的补偿，这时只要采用实现对扰动的补偿，这时只要采用静静态前馈态前馈控制即可。控制即可。 前馈静态控制系统实施起来很方便，前馈静态控制系统实施起来很方便，用一般的比值器或者比例控制器即可，在用一般的比值器或者比例控制器即可，在生产上获得了广泛应用生产上获得了广泛应用。7.2.17.2.1静态前馈控制系统静态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 24静态静态前馈控制前馈控制算式算式的获取：的获取：P86 图图7.2-1 （7.2-1）实例实例：换热器出口温度控制：换热器出口温度控制 利用物料平衡算

19、式求得较完善的静利用物料平衡算式求得较完善的静 态前馈算式。态前馈算式。热平衡算式热平衡算式： f Cp（y - y0）= ys Hs （7.2-2） ys = f Cp （r - y0）/ Hs （7.2- 4）7.2.17.2.1静态前馈控制系统静态前馈控制系统PCPDffKKG)0(第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 25静态前馈控制算式的获取：静态前馈控制算式的获取：P86 图图7.2-1 上式即为上式即为静态静态前馈控制算式前馈控制算式（非线性算非线性算式）式） 在化工工艺参数中：在化工工艺参数中： 液压和压力的前馈计算：线性的液压和压力的前馈计算：线性的 温度和成分的前馈计

20、算：非线性的温度和成分的前馈计算：非线性的7.2.17.2.1静态前馈控制系统静态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 267.2.17.2.1静态前馈控制系统静态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 27 在生产过程中，当考虑系统的在生产过程中，当考虑系统的动态精度动态精度时，时，静态前馈控制往往不能满足工艺要求，此时需静态前馈控制往往不能满足工艺要求，此时需采用采用动态前馈动态前馈控制。控制。 P86图图7.2-2 比较比较: P84式式7.1-3 和和 P86式式7.2-1，可见，可见 静态前馈是静态前馈是动态前馈动态前馈控制的一种特例。控制的一种特例

21、。 动态前馈动态前馈可以看作可以看作静态前馈静态前馈和和动态前馈补偿动态前馈补偿两部分，它们结合在一起，可以进一步提高控两部分，它们结合在一起，可以进一步提高控制过程的动态品质制过程的动态品质。7.2.27.2.2动态前馈控制系统动态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 281）讨论重点讨论重点：针对非线性过程在静态非线性：针对非线性过程在静态非线性 前馈基础上添加前馈基础上添加动态补偿动态补偿的问题。的问题。2）方法：方法：工程设计方法工程设计方法 对于非线性过程，要通过非线性状态对于非线性过程，要通过非线性状态 方程来求取非线性动态前馈补偿器是方程来求取非线性动态前馈补偿

22、器是 比较困难的。比较困难的。3）步骤：步骤：采用采用工程设计方法工程设计方法，设计非线性，设计非线性 动态前馈控制器动态前馈控制器7.2.27.2.2动态前馈控制系统动态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 293）步骤：步骤： 按物料平衡和能量平衡关系求取按物料平衡和能量平衡关系求取对象静态对象静态模型模型（一般为非线性关系），进而求取（一般为非线性关系），进而求取静静态前馈模型态前馈模型（一般为非线性模型）；（一般为非线性模型）； 逐个逐个测取测取对象对象各通道各通道的的动态特性动态特性，分成静，分成静态部分和动态部分。在设计中，需添加的态部分和动态部分。在设计中，需添

23、加的动态补偿环节仅是传函的动态部分；动态补偿环节仅是传函的动态部分；7.2.27.2.2动态前馈控制系统动态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 303）步骤：步骤： 将静态前馈模型中的将静态前馈模型中的非线性环节线性化非线性环节线性化： 将乘法器线性化后组成的静态前馈将乘法器线性化后组成的静态前馈补偿器补偿器与线性化后的与线性化后的被控过程被控过程相相结合结合，组成组成一个一个具有静态前馈补偿的具有静态前馈补偿的线性系统线性系统； 在线性化后的静态前馈模型基础上，结合在线性化后的静态前馈模型基础上，结合对象各通道的动态部分，按全补偿要求添对象各通道的动态部分，按全补偿要求添

24、加加动态补偿动态补偿环节；环节； 将线性化处理后的环节将线性化处理后的环节恢复恢复成原有的成原有的非线非线性环节性环节。7.2.27.2.2动态前馈控制系统动态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 314）注意的问题）注意的问题 前馈控制器中有几个环节用了前馈控制器中有几个环节用了传递函数传递函数表表达式，它们仅表示该环节的输入输出信号达式，它们仅表示该环节的输入输出信号存在线性动态关系，并不意味着整个前馈存在线性动态关系，并不意味着整个前馈方框可用传递函数来表示；方框可用传递函数来表示； 前馈控制器是非线性的（因包括乘法环节）前馈控制器是非线性的（因包括乘法环节）对对非线性

25、过程非线性过程不能应用传递函数来描述。不能应用传递函数来描述。7.2.27.2.2动态前馈控制系统动态前馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 32前馈控制的前馈控制的局限性局限性： P871）前馈控制系统存在前馈控制系统存在偏差偏差 实际实际的工业对象会有的工业对象会有多个扰动多个扰动，若都设，若都设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅和维护工作量。因而一般仅选择几个主要选择几个主要扰动加前馈控制扰动加前馈控制。这样的前馈控制器对。这样的前馈控制器对其其它扰动它扰动是是没有校正作用没有校正作用的；的； 受前馈控制受前馈

26、控制模型精度限制模型精度限制7.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 33前馈控制的前馈控制的局限性局限性： P87 1）前馈控制系统存在偏差前馈控制系统存在偏差 用仪表来实现用仪表来实现前馈控制算式前馈控制算式时，往往做了时，往往做了近似处理近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节或纯微分环节时，它们中包含有纯超前环节或纯微分环节时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的，如将纯超前环节处理为静态只能是近似的，如将纯超前环节处理为静态

27、环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节；环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节；7.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 34前馈控制的前馈控制的局限性局限性： P87 2） 前馈控制不存在被控变量的反馈，无法检前馈控制不存在被控变量的反馈，无法检 验补偿效果。验补偿效果。解决方法解决方法： 将前馈控制与反馈控制结合起来，构成将前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈前馈 - 反馈控制反馈控制系统。系统。综合综合两者的两者的优点优点： 前馈校正：对扰动的控制及时前馈校正：对扰动的控制及时 反馈控制：能够克服多种扰动的影响反馈控制：能够克服多种

28、扰动的影响 对被控变量最终检验对被控变量最终检验 7.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 35前馈前馈-反馈算式的求取反馈算式的求取：例：换热器的前馈例：换热器的前馈-反馈控制系统反馈控制系统 原理图：原理图： P87 图图7.2-3 方块图：方块图： P88 图图7.2-4 传递函数：传递函数： （7.2-5）7.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统)()(1)()()()(1)()()(sGsGsGsGsGsGsGsFsYPCcPCffPCcPD第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 367.2.37.2.

29、3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 377.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 38前馈前馈-反馈算式反馈算式的求取的求取例：换热器的前馈例：换热器的前馈-反馈控制系统反馈控制系统 补偿原理：不变性原理补偿原理：不变性原理 F（s） 0时时, Y（s）= 0（带入式（带入式7.2-5中）中） （7.2-6） 与单纯前馈系统实现全补偿的算式与单纯前馈系统实现全补偿的算式相同相同7.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统)s (G)s (G)s (GPCPDff第七章第七章

30、 前馈及比值控制前馈及比值控制 39前馈前馈-反馈系统的反馈系统的优点优点 P88 从从前馈前馈角度：反馈控制对未选作前角度：反馈控制对未选作前 馈信号的干扰有校正作馈信号的干扰有校正作 用；用； 从从反馈反馈角度：前馈补偿减小了反馈控角度：前馈补偿减小了反馈控 制的负担。制的负担。7.2.37.2.3前馈前馈- -反馈控制系统反馈控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 401）应用场合应用场合： P882）优点优点： 7.2.47.2.4前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统求高控制的精度和稳定性要扰动频繁而剧烈动静态品质指标较高可降低对控制阀的要求回路的扰动可同时克服主回路和副

31、第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 413）应用实例应用实例：换热器温度控制：换热器温度控制 原理框图原理框图：P88图图7.2-57.2.47.2.4前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统（主要扰动）前馈量：加热物料流量主回路：出口温度控制流量控制副回路（增加）：蒸汽第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 427.2.47.2.4前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 434）前馈算式前馈算式求取求取 P89 （7.2-7） （7.2-8）式中，式中，PC（s）是包括蒸汽流量回路和）是包括蒸汽流量回路和（s）在内的广义控制通道传递函数。）

32、在内的广义控制通道传递函数。7.2.47.2.4前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统)s(G)s(G)s(G)s(G)s(G)s(GP1PDffPCPDff第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 444）前馈算式前馈算式求取求取有时，适当的选择有时，适当的选择（s）使流量闭）使流量闭合回路的工作频率远大于主回路工作频率，合回路的工作频率远大于主回路工作频率，副回路是个副回路是个快速随动快速随动系统，其等效环节可系统，其等效环节可近似看成近似看成“”，这时，这时 （7.2- 8） 可见，在可见，在前馈串级前馈串级控制系统中前馈控制系统中前馈补偿器的数学模型由系统补偿器的数学模型由系统扰动通

33、道扰动通道与与主回主回路特性路特性之比决定。之比决定。7.2.47.2.4前馈前馈- -串级控制系统串级控制系统)()(1sGsGPPC第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 45 单单输入输入单输出的前馈控制系统的单输出的前馈控制系统的基本原基本原理理和和分析方法分析方法基本可以应用到多基本可以应用到多输入输入多输出多输出的前馈控制系统中来，本节主要讨论线性多的前馈控制系统中来，本节主要讨论线性多输入输入多输出的前馈控制系统多输出的前馈控制系统。一个具有一个具有多多输入输入多输出多输出的对象可应用的对象可应用传传递矩阵递矩阵来表示其动态特性，如一个线性定常来表示其动态特性，如一个线性定常

34、的多变量控制对象的动态的多变量控制对象的动态方程方程可表示为可表示为 （7.2-9）7.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制111CMMCDDCCMPDP第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 467.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 47式中：式中： C为对象的被控矢量（为对象的被控矢量（C维）；维）； M为对象的控制矢量（为对象的控制矢量（M维）；维）； D为对象的扰动矢量为对象的扰动矢量 （D维）；维）； P、P分别为对象的扰动通道和分别为对象的扰动通道和控制通道的传递矩阵。控制通道的传递矩阵。7.2.57.2.5多变量前

35、馈控制多变量前馈控制第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 48 假设多变量前馈控制模型的传递假设多变量前馈控制模型的传递矩阵为矩阵为F，则相应的输入输出关系，则相应的输入输出关系为为 （7.2-10）得得（7.2-11） P89图图7.2-67.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制11DDMMDFM11DDCDCDMMCCDPFPC第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 49由上式可知，为了达到对扰动矢量的由上式可知，为了达到对扰动矢量的完全补偿，在完全补偿，在CM（即被控变量数小于或（即被控变量数小于或等于控制变量数）的情况下，必须满足矩等于控制变量数）的情况下，必须满足矩

36、阵阵 中所有元素均等于中所有元素均等于0，即为即为0矩阵矩阵。由此来决定前馈模型的传递函。由此来决定前馈模型的传递函数数F。7.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制DCDCDMMCPFP第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 50当当 C = M 时，为了实现完全补偿，时，为了实现完全补偿， 前馈模型传递矩阵为前馈模型传递矩阵为 （7.2-12）7.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制DCMCDMPPF1第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 51多变量前馈控制系统方框图：多变量前馈控制系统方框图：P89 图图7.2-6 7.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制

37、第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 52多变量前馈多变量前馈-反馈控制反馈控制系统：系统： P89 同单变量前馈系统一样，同样可将前同单变量前馈系统一样，同样可将前馈与反馈结合起来，构成如图馈与反馈结合起来，构成如图7.2-7所示的所示的多变量前馈多变量前馈-多变量反馈控制系统。多变量反馈控制系统。 假设多变量反馈的控制矩阵为假设多变量反馈的控制矩阵为BMXC，在这个传递函数矩阵中的每一个元素都是在这个传递函数矩阵中的每一个元素都是一个反馈控制器的传递函数。一个反馈控制器的传递函数。 控制方程控制方程为为 7.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制111CCMDDMMCBDFM第

38、七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 53多变量前馈多变量前馈-反馈控制系统方框图：反馈控制系统方框图： P89 7.2.57.2.5多变量前馈控制多变量前馈控制第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 54实例实例：三元精馏塔（：三元精馏塔（分离分离苯苯、甲苯甲苯、二甲苯）二甲苯） P90 图图7.2-8控制指标控制指标：塔顶馏出物中苯的含量：塔顶馏出物中苯的含量xD 塔底馏出物中二甲苯的含量塔底馏出物中二甲苯的含量xB主要扰动主要扰动：进料量：进料量F、进料温度进料温度q 进料中苯进料中苯、甲苯甲苯、二甲苯的二甲苯的 含量含量z1 、z2 、z37.2.57.2.5多变量前馈控制（实

39、例）多变量前馈控制（实例）第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 55实例实例： P90 图图7.2-8扰动扰动前馈前馈输入输入量量：F、q 、z1 、z3操纵变量操纵变量：塔顶回流量：塔顶回流量R 再沸器的蒸汽流量再沸器的蒸汽流量VB塔的塔的动态特性动态特性： xD=p11R+p12 VB + p13 F + p14 q + p15 z1 xB=p21R+p22 VB + p23 F + p24 q + p25 z37.2.57.2.5多变量前馈控制（实例）多变量前馈控制（实例）第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 56实例实例：三元精馏塔（：三元精馏塔（分离分离苯苯、甲苯甲苯、二

40、甲苯）二甲苯） P90 图图7.2-8 塔的塔的前馈控制模型前馈控制模型： P90 式式7.2-19精馏塔的精馏塔的控制方程式控制方程式： P90 式式7.2-207.2.57.2.5多变量前馈控制（实例）多变量前馈控制（实例）第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 57 7.3.1前馈控制规律的前提条件前馈控制规律的前提条件7.3.2前馈补偿装置的控制算法前馈补偿装置的控制算法7.3 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计）前馈控制规律的实施（系统设计） 本节的主要内容本节的主要内容: :第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 581）扰动必须）扰动必须可测可测2）扰动必须是）扰动必须

41、是显著频繁显著频繁的的 扰动扰动可测可测：主要指扰动可直接测量，也不：主要指扰动可直接测量，也不 排斥间接测量，若扰动不可测，排斥间接测量，若扰动不可测， 则前馈无法实施；则前馈无法实施； 扰动扰动显著显著：不在乎扰动本身的大小，而是指：不在乎扰动本身的大小，而是指 扰动对被控变量的数值有显著的扰动对被控变量的数值有显著的 影响；影响； 扰动扰动频繁频繁：指扰动出现的次数较多：指扰动出现的次数较多7.3.1 7.3.1 前馈控制规律的前提条件前馈控制规律的前提条件第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 59前馈前馈补偿装置的补偿装置的特性特性：由：由对象对象的干扰通道和控的干扰通道和控 制

42、通道的制通道的特性特性所决定。所决定。 由于工业对象的特性极为复杂，导致了前由于工业对象的特性极为复杂，导致了前馈补偿装置的形式颇多。馈补偿装置的形式颇多。 大多数化工、热工对象，具有非周期与过大多数化工、热工对象，具有非周期与过阻尼的特性，可用一阶（或二阶）加纯滞后来阻尼的特性，可用一阶（或二阶）加纯滞后来近似。近似。 从工业应用的观点看，特别是应用常规仪从工业应用的观点看，特别是应用常规仪表组成的控制系统，总是力求使控制仪表具有表组成的控制系统，总是力求使控制仪表具有一定的通用性，以利于设计运行和维护。一定的通用性，以利于设计运行和维护。7.3.2 7.3.2 前馈补偿装置的控制算法前馈补

43、偿装置的控制算法第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 60设设控制通道控制通道特性为：特性为：扰动通道扰动通道特性为：特性为：则前馈则前馈补偿装置补偿装置的传函为：的传函为：7.3.2 7.3.2 前馈补偿装置的控制算法前馈补偿装置的控制算法s11PC1e1sTK) s (Gs22PD2e1sTK) s (GsPCPDesGsG1sT1sTK)()()s (G21fff第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 61式中：式中：Kf = K2 / K1 ，当当1= 2时，时，当当T1=T2时，时，由此得出，目前常用的前馈控制算法有由此得出，目前常用的前馈控制算法有三种类型三种类型: 7.

44、3.2 7.3.2 前馈补偿装置的控制算法前馈补偿装置的控制算法121sT1sTK) s (G21ffffffK) s (G1sT1sTK21fs-21fe1sT1sTKKf第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 62其中，其中， 在物理上实现困难，在物理上实现困难，故动态前馈故动态前馈通常通常用以下用以下类型类型： 式中：式中：Kf前馈增益前馈增益 T1S+1超前项超前项 T2S+1滞后项滞后项7.3.2 7.3.2 前馈补偿装置的控制算法前馈补偿装置的控制算法s-21fe1sT1sTK1sT1sTK21f第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 637.4.1 比值控制概述比值控制概

45、述 P927.4.2 定比值控制系统定比值控制系统 P937.4.3 变比值控制系统变比值控制系统 P957.4.4 比值控制系统的实施比值控制系统的实施 P967.4.5 比值控制系统的设计、投运与整定比值控制系统的设计、投运与整定P987.4.6 比值控制系统中的若干问题比值控制系统中的若干问题 P997.4 7.4 比值控制系统比值控制系统 本节的主要内容本节的主要内容: :第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 641）比值控制的）比值控制的目的目的： P92为了实现几种物料混合成一定比例关系，为了实现几种物料混合成一定比例关系，使生产能安全正常进行。使生产能安全正常进行。 在工业

46、生产过程中，往往需要几种物料在工业生产过程中，往往需要几种物料按一定的比例按一定的比例混合混合或参加化学或参加化学反应反应。如果比例失调，就可能影响产品品质，如果比例失调，就可能影响产品品质，浪费原料，消耗动力，造成环境污染，严重浪费原料，消耗动力，造成环境污染，严重甚至可能发生事故。甚至可能发生事故。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 65比值控制比值控制实例实例：锅炉、加热炉、冶金炉的锅炉、加热炉、冶金炉的燃烧燃烧过程：需要过程：需要自动控制自动控制燃料量和空气量燃料量和空气量成一定的比例，成一定的比例，以保证燃烧的经济性；以保证燃烧

47、的经济性；造纸生产造纸生产过程中，为保证过程中，为保证纸浆的浓度纸浆的浓度，必，必须自动控制纸浆量和水量按一定的比例混须自动控制纸浆量和水量按一定的比例混合；合；7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 66比值控制比值控制实例实例：化肥变换生产化肥变换生产过程中，要求变换炉的水煤过程中，要求变换炉的水煤气和蒸汽量之比为气和蒸汽量之比为1: 1.11.4化工生产化工生产过程：聚乙烯醇生产过程：聚乙烯醇生产树脂和氢氧化钠必须按一定比例混合，否树脂和氢氧化钠必须按一定比例混合，否则树脂将发生自聚而影响生产的正常进行。则树脂将发生自聚而影响生产的正常

48、进行。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 672）比值控制系统的）比值控制系统的概念概念 P92实现使两个或两个以上参数符合一定实现使两个或两个以上参数符合一定比列关系的控制系统称为比列关系的控制系统称为比值控制比值控制系统。系统。 通常以保持两种或两种以上物料流量通常以保持两种或两种以上物料流量为一定比例关系的系统，称为为一定比例关系的系统，称为流量比值控流量比值控制制系统。系统。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 682）比值控制系统的概念）比值控制系统的概念 P92主动量主动量

49、：在需要保持比值关系的两种物料：在需要保持比值关系的两种物料中，必有一种物料处于主导地位，这种物中，必有一种物料处于主导地位，这种物料称为料称为主物料主物料。 表征这种物料的参数称为主动量，或表征这种物料的参数称为主动量，或称之为称之为主流量主流量，用，用Q1表示。表示。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 692）比值控制系统的概念）比值控制系统的概念 P92从动量从动量：另一种物料按主物料进行配比，：另一种物料按主物料进行配比， 也即在控制过程中随主物料而变也即在控制过程中随主物料而变 化，因此称为化，因此称为从物料从物料。 表征这种物

50、料的参数称为从动量，或表征这种物料的参数称为从动量，或称之为称之为副流量副流量，用，用Q2来表示。来表示。 K= Q2/ Q1 K： 副流量与主流量的副流量与主流量的流量比流量比7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 703）比值控制系统的）比值控制系统的实质实质：例例1：NaOH溶液的配置溶液的配置 P93图图7.3-1 某厂生产中需连续使用某厂生产中需连续使用6%-8%的的NaOH溶液，工艺上采用溶液，工艺上采用30%NaOH溶液加水溶液加水稀释稀释配置。配置。 一般说，由电化厂提供的一般说，由电化厂提供的30%溶液溶液NaOH浓度比较稳

51、定，引起混合器出口溶液浓度比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要原因是入口处的碱和水流量浓度变化的主要原因是入口处的碱和水流量变化。变化。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 717.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 723）比值控制系统的）比值控制系统的实质实质：例例1：NaOH溶液的配置溶液的配置 方案方案1：浓度：浓度单回路控制单回路控制 按按反馈原理反馈原理，为了保证出口浓度，可设，为了保证出口浓度，可设计以出口处的浓度为被控变量，入口处的水计以出口处的浓度为被控变量，入口处

52、的水（或碱）流量为操纵变量的（或碱）流量为操纵变量的单回路单回路控制系统。控制系统。 但是，由于但是，由于浓度信号的获取较为困难浓度信号的获取较为困难，即使可以获得并组成控制系统，往往因测量即使可以获得并组成控制系统，往往因测量和对象控制通道和对象控制通道滞后较大滞后较大，影响控制质量。，影响控制质量。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 733）比值控制系统的）比值控制系统的实质实质：方案方案2：比值控制：比值控制 根据根据前馈控制的不变性原理前馈控制的不变性原理，若某一输，若某一输入物料流量变化时，另一物料也能于比例跟入物料流量变化时，

53、另一物料也能于比例跟随变化，则可以达到对出口浓度的随变化，则可以达到对出口浓度的完全补偿完全补偿。 对于上述混合问题，通过简单的化学计对于上述混合问题，通过简单的化学计算可知，只要入口算可知，只要入口30%NaOH和和HO的质量的质量流量之比为流量之比为1：41：2.75，就可满足出口，就可满足出口NaOH溶液浓度达到溶液浓度达到6%8%。对于这样一个。对于这样一个浓度控制浓度控制问题，也就成为问题，也就成为流量比值流量比值问题。问题。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 74例例2：废水处理废水处理：酸碱中和：酸碱中和 生产上这种类似的控

54、制问题很多，都可以生产上这种类似的控制问题很多，都可以 通过通过保持物料的流量比保持物料的流量比来保证最终品质。来保证最终品质。 保持流量比只是一种保持流量比只是一种手段手段，保持最终质量，保持最终质量才是控制才是控制目的目的。 因此，比值控制因此，比值控制实质实质上是上是前馈控制前馈控制的一种的一种特例。特例。7.4.1 7.4.1 比值控制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 754）分类分类 开环开环比值控制比值控制 定比值定比值控制系统控制系统 单闭环单闭环比值控制比值控制 双闭环双闭环比值控制比值控制 变比值变比值控制系统控制系统 7.4.1 7.4.1 比值控

55、制概述比值控制概述第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 76定比值控制定比值控制系统的概念：系统的概念：比值参数计算设置后不再变动，即比值参数计算设置后不再变动，即比值比值是是固定不变固定不变的的。1）开环开环比值控制：比值控制：例：例： NaOH溶液配制的比值控制系统溶液配制的比值控制系统 示意图：示意图：P93图图7.3-1 原理原理（流程）图：（流程）图：P93图图7.3-2（a） 方块方块图：图：P93图图7.3-2（b） （注：改错）（注：改错）7.4.2 7.4.2 定比值控制系统定比值控制系统 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 777.4.2 7.4.2 定比值控

56、制系统（开环比值）定比值控制系统（开环比值） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 787.4.2 7.4.2 定比值控制系统（开环比值）定比值控制系统（开环比值） 1）开环开环比值控制（比值控制（特点特点）：）： 优点优点：结构简单：结构简单 缺点缺点：对副流量：对副流量Q2无反馈校正，对于副无反馈校正，对于副 流量本身无抗扰动能力流量本身无抗扰动能力 应用场合应用场合：副流量较平稳，而且流量比：副流量较平稳，而且流量比 值要求不高的场合（值要求不高的场合（很少采用很少采用）第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 792）单闭环单闭环比值控制：比值控制： 副流量对象引入一个闭合回路

57、，副流量对象引入一个闭合回路，主流主流量量处于处于开环开环状态，状态，副流量副流量构成构成闭合闭合回路，回路，称为单闭环比值控制系统。称为单闭环比值控制系统。 原理图：原理图：P94图图7.3-3（a） 方块图：方块图：P94图图7.3-3（b）7.4.2 7.4.2 定比值控制系统（单闭环）定比值控制系统（单闭环） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 807.4.2 7.4.2 定比值控制系统（单闭环）定比值控制系统（单闭环） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 817.4.2 7.4.2 定比值控制系统（单闭环）定比值控制系统（单闭环）第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值

58、控制 822）单闭环单闭环比值控制比值控制 P94 工作原理：工作原理： 主流量主流量Q1变化变化 Q2跟随跟随 Q1而变化而变化 比值比值K恒定（恒定（K= Q2/ Q1） 副副流量流量Q2变化变化 自身闭合回路自身闭合回路 进行调整进行调整 维持维持 Q2恒定恒定 7.4.2 7.4.2 定比值控制系统（单闭环）定比值控制系统（单闭环） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 832）单闭环比值单闭环比值控制控制 P94 优点优点：结构简单，调整方便，并能实现两：结构简单，调整方便，并能实现两个流量之间较精确的比值关系，得个流量之间较精确的比值关系，得到了广泛应用；到了广泛应用； 缺点

59、缺点：系统的总流量不固定，不能消除流：系统的总流量不固定，不能消除流量的自发扰动，对要求严格的工艺量的自发扰动，对要求严格的工艺过程是不允许的。过程是不允许的。7.4.2 7.4.2 定比值控制系统（单闭环）定比值控制系统（单闭环） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 843）双闭环比值双闭环比值控制控制 P94方案的方案的目的目的：既能实现两流量的比值恒定，：既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳。又能使进入系统的总负荷平稳。实例实例：石脑油与水蒸气的比值控制系统：石脑油与水蒸气的比值控制系统（以石脑油生产为原料的（以石脑油生产为原料的合成氨合成氨生产过程）生产过程）

60、要求要求： 两者两者比值恒定比值恒定 各自各自流量平稳流量平稳7.4.2 7.4.2 定比值控制系统（双闭环）定比值控制系统（双闭环） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 853）双闭环比值双闭环比值控制控制 P94实例实例：石脑油与水蒸气的比值控制系统：石脑油与水蒸气的比值控制系统 方方 案案：双闭环双闭环比值控制系统比值控制系统 原理图原理图： P94 图图7.3- 4（a） 方块图方块图： P94 图图7.3- 4（b）7.4.2 7.4.2 定比值控制系统（双闭环）定比值控制系统（双闭环） 第七章第七章 前馈及比值控制前馈及比值控制 867.4.2 7.4.2 定比值控制系统（