前馈控制优秀课件

TC控制阀加热物料TT控制变量u操纵变量q测量值z出口温度设定值r偏差e-干扰fTT101TC101出口温度2.2

前馈控制系统2.2.1基本原理FC控制阀+-串级控制系统方块图燃料油物料FTTCFC+-u1u2r1y1y2c1c2f1f2反馈控制：偏差调节操纵变量调节偏差影响系统输出外作用干扰设定值受控变量TT101FT101TC101出口温度FC1012023/4/221

前馈基本原理：对设定值、可测干扰的变化，根据其变化量的大小改变控制作用，使系统达到平衡。存在的问题：对大扰动或大滞后系统效果不理想{{干扰可测外作用设定值不可测解决的方法：控制作用(操纵变量)采用外作用的函数—测取进入过程的干扰FT101出口温度Gff(s)00i出口温度02023/4/222

从理论上讲，前馈控制的这种理想效果反馈控制是无法实现的；反馈控制是基于偏差进行调节的，在干扰作用下，受控变量要经历一个偏离设定值的过程。

若精确地了解系统(过程)的特性，就可以计算在可测干扰或新的设定值作用下，系统达到平衡的控制作用。++输出不变，受控变量不受干扰变化扰动的影响。若FT101出口温度Gff(s)00i2023/4/223

如图换热器控制FT101出口温度00i由0i替换为01，静态前馈算式为非线性前馈控制器

这种算式可以通过物料(或能量)衡算求得令s→0，可得静态前馈控制算式：

由构成前馈控制系统的结构及前馈控制器的形式分为以下几种：

前馈控制系统的结构类型

在一些要求不是很精确的实际生产过程中，只要求在稳态下，实现对扰动的补偿，即静态前馈控制。1、静态前馈2023/4/224

2、动态前馈

当扰动通道和控制通道的特性差异较大，特别在对控制品质要求较高时，采用静态前馈还不能满足要求，此时须考虑动态补偿。

主要是针对非线性静态前馈补偿后，如何添加动态补偿。对于非线性系统，要通过非线性动态方程来求取动态前馈补偿器是比较困难的。工程上采用的方法是：在正常工况下通过实验的方法取得各通道的动态特性，添加到非线性静态前馈补偿上。

图中设计了流量控制回路，其目的是使蒸汽流量按前馈补偿器的要求实现精确控制。控制流程图如右图所示FT101TT101出口温度FC102FT102静态前馈装置2023/4/225

通过实验的方法，测得干扰通道和控制通道的传递函数，然后求得前馈补偿器。（非线性动态前馈控制器的步骤）3、前馈—反馈控制系统

从理论上讲，前馈控制可以做到完全补偿，得到较完善的控制效果，但实际上并非如此。综合作用按上式可画出下图，利用“叠加原理”，是受控过程的线性化近似描述。

主要有以下原因：2023/4/226

③前馈控制器是基于系统的数学模型得到的，任何模型的获得都是在一定合理假设的基础上建立的机理模型、或是通过辨识系统的结构参数而得到辨识模型；无论什么模型不可能绝对准确，即无法求得理想的补偿器，因而造成补偿不完全。

④补偿器从数学形式上看是两个传递函数的比值形式，若得到的结果分子阶次高于分母，或前馈控制算式中含有超前环节或微分环节，在物理上不可实现的，此时构成的控制器只能是一种近似结构，也不可能对干扰进行完全补偿。

⑤理想的前馈控制，对受控变量而言是开环的，无法检验补偿效果。

②作用于实际过程的干扰不完全可测，前馈控制只能针对可测干扰进行设计，对不可测干扰无法补偿；

①实际过程包含的扰动因素较多，设计前馈补偿器时不可能对所有的扰动都设计前馈控制器，只能对主要的扰动设计补偿器，而未设计补偿的扰动还会对生产过程产生影响。2023/4/227Gm(s)干扰F(s)Gc(s)控制器控制阀受控对象测量变送器控制变量U(s)操纵变量Q(s)测量值Z(s)受控变量Y(s)设定值R(s)偏差E(s)-Gv(s)Gp(s)控制系统方块图前馈控制器++FT101出口温度TT101TC101-+++++

为了解决上述问题，引出前馈与反馈相结合的控制方案2023/4/228

此方案可同时发挥前馈和反馈控制优点：

①由于引入了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，对未进行前馈控制的干扰可进行校正。

②对反馈而言，前馈作用对主要干扰进行了粗调，减小了反馈控制系统的负担。

例1：精馏塔提馏段质量指标控制

⑴单纯的前馈控制FC分馏塔FTFCFT

做到随进料量或进料成分的变化，去调整载热体流量，以保证塔底成分的要求。

载热体成分、换热器内压力等变化时，气相回流量变化，塔底温度变化，无法保证塔底成分要求；

此前馈控制方案对塔底温度是开环的。2023/4/229

⑵

前馈—反馈相结合（前馈控制与反馈控制作用相乘）

随进料量或进料成分的变化，调整载热体流量的同时，根据塔底温度的变化修正前馈控制器的输出；以克服载热体成分、换热器内压力等变化时对塔底温度的影响，保证塔底成分的要求。

此前馈—反馈相结合控制方案对塔底温度是闭环的。FC分馏塔FTFYFTTCTTTY

引入提留段下部温度或塔釜温度反馈，克服了单纯前馈的缺点。G0(s)Gff(s)Gc(s)(s)F(s)×2023/4/2210

一般控制方案在串级控制系统中已做了介绍，通过物料出口温度去改变流量控制器的设定值

例2：加热炉温度控制

如果负荷为主要扰动，采用串级并不及时，将进料量测出设计前馈补偿，可改善系统的调节品质。特点：进料流量变化后,在出口温度出现偏差前,燃料流量及时作相应的调整，避免温度调节过程中出现大的偏差。TYTTFTFYTCFCFT前馈-串级反馈

(3)

前馈—反馈相结合（前馈控制与反馈控制作用相加）FC101TC1012023/4/2211Gf1(s)Gff(s)GC1(S)GC2(S)G02(s)G01(s)F2(s)F1(s)(s)++-+-前馈-串级反馈控制方块图Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-u1u2r1y1y2c1c2f1f2串级控制系统方框图2023/4/22122.2.3前馈控制系统的设计

1、设计前馈控制系统的条件

①系统受频繁的扰动作用，且扰动对受控变量的影响比较严重；

②扰动直接可测或可观测。（设计干扰观测器）

一般可以写成：

2、前馈控制算法的形式

对于时间连续的线性过程

通过改变、的大小，可以得到：①

时滞②

比例③

超前

当分母和分子阶次较高、特别是有时滞或超前环节时，实施比较困难。

为此通常采用2023/4/22132.2.4前馈控制系统的实施

(1)用模拟仪表实施1、前馈控制器的选择

(2)用软件实现2、参数整定

②前馈—反馈相结合，先整定反馈系统，再重复①。

①单纯的前馈控制，可视工艺要求进行参数整定

先调整Kff，然后调整T1、T2。

①

通过特定的前馈控制器；②采用运算单元自行构造：多数工业对象采用一个带有纯滞后的“一阶超前/一阶滞后”环节来实现前馈补偿来近似。如：

式中：Kff=K2/K1；Lff=L2-L12023/4/2214非线性动态前馈控制器的步骤：按物料平衡和能量平衡求取对象静态特性（一般为非线性关系)，进而求取静态前馈模型（一般为非线性模型）。逐个测取对象各通道动态特性，并将它分成“静态部分”和“动态部分”。将静态前馈模型中的非线性环节线性化。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