前馈控制结构课件

主要内容前馈控制结构前馈与反馈控制特点比较前馈控制设计原理前馈控制系统的几种结构形式前馈-反馈复合控制系统前馈控制的设计原则时间滞后控制系统：改进的常规控制系统Smith预估补偿方案采样控制方案

主要内容前馈控制结构1前馈控制结构

Wm(s):前馈控制器；

Wo(s):过程控制通道传递函数；

Wf(s):过程扰动通道传递函数。前馈控制结构Wm(s):前馈控制器；2前馈与反馈控制特点比较

反馈控制的特点：基于偏差来消除偏差；

“不及时”的控制；存在稳定性问题；对各种扰动均有校正作用；

控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律。前馈与反馈控制特点比较反馈控制的特点：3前馈与反馈控制特点比较前馈控制的特点：基于扰动来消除扰动对被控量的影响；

动作“及时”；只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；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。

前馈与反馈控制特点比较前馈控制的特点：4前馈控制器设计原理

不变性原理是实现前馈控制的理论基础。

“不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。

前馈控制器设计原理不变性原理是实现前馈控制的理论基础。5前馈模型

由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：因实现了完全补偿，达到了被控量不受扰动影响的控制效果。前馈模型的结构有时比较复杂，甚至难以实现。

前馈模型由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通6前馈控制系统的几种结构形式

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。

动态前馈控制系统：

动态前馈的实现基于不变性原理；动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，但结构往往比较复杂；需要专门的控制装置，系统运行、整定也比较复杂；只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难以满足、且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才考虑使用动态前馈方案。

前馈控制系统的几种结构形式静态前馈控制系统：7前馈控制的局限性

前馈控制属于开环控制方式；完全补偿难以满足，因为：要准确掌握过程扰动通道特性Wf（s）及控制通道特性Wo（s）是不容易的；

即使前馈模型Wm（s）能准确求出，有时工程上也难以实现；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。前馈控制的局限性前馈控制属于开环控制方式；8前馈-反馈复合控制系统

将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。

前馈-反馈复合控制系统将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作9前馈控制的设计原则

实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及不可控性”：“可测”：指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。

“不可控”：指这些扰动量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。

扰动量变化频繁且幅值较大；通常选用静态前馈-反馈控制方案即可得到满意的控制效果。前馈控制的设计原则实现前馈控制的必要条件是扰动量的“可测及10前馈控制设计举例在二段磨矿生产过程中，球磨机内的浓度与二段分级返砂量有关，而二段分级机返砂量受细度控制影响很大。这是因为，二次分级溢流细度作为重要生产指标必须严格控制，而控制细度的方法是往分级机内添加二次溢流补加水：当细度变粗时，加大给水量，加速分级机内矿砂沉淀，较粗的矿砂返回二段球磨，只有较细的矿砂才会溢出；反之则减小给水量保证细度相对稳定。

前馈控制设计举例在二段磨矿生产过程中，球磨机内的浓度与二段分11前馈控制设计举例在生产中，由于控制细度的二次溢流补加水量变化较大，会导致分级返砂量变化也很大，从而使二段球磨机浓度难以稳定。若仅以浓度值进行反馈控制，调节过程中有时会出现不能允许的动态偏差。针对这种变化频繁且幅度较大的扰动，决定引入前馈控制。

前馈控制设计举例在生产中，由于控制细度的二次溢流补加水量变化12前馈控制结构课件13前馈控制结构课件14时间滞后控制系统

时间滞后是纯滞后与容量滞后的总称。

纯滞后：往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的；容量滞后：往往是由于对象中包含多个容积所引起的。时间滞后控制系统时间滞后是纯滞后与容量滞后的总称。15时间滞后控制系统过程扰动通道中的纯滞后对闭环系统的动态性能没有影响；过程控制通道或测量变送元件上的纯滞后，将影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。τ/T≥0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，常用控制方法：改进的常规控制方案；预估补偿方案；采样控制方案。时间滞后控制系统过程扰动通道中的纯滞后对闭环系统的动态性能没16改进的常规控制系统

微分先行控制方案可以有效地改善容量滞后工艺过程的控制质量。在给定值频繁变化时，微分先行方案的控制品质优于常规PID控制方案，尤其在减小超调量方面效果更佳。

改进的常规控制系统微分先行控制方案可以有效地改善容量滞后工17Smith预估补偿方案预先估计出被控过程动态模型；然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，力图将被延迟了时间τ的被控量提前送入调节器。调节器能提前动作，通过补偿装置理论上可消除纯滞后特性在闭环中的影响。

Smith预估补偿方案预先估计出被控过程动态模型；18Smith预估补偿方案

引入Smith预估补偿器的目的是使调节器Wc（s）所控制的等效对象中能消除纯滞后部分，即：Wo（s）e-τs+Ws（s）=Wo（s）

Smith预估补偿方案引入Smith预估补偿器的目的是使调19采样控制方案

“调一下，等一等”的办法；当调节器输出达一定时间后，就不再使增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间与纯滞后时间τ0相等或再稍长些），直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；根据偏差的大小再决定下一步的控制动作。采样控制方案“调一下，等一等”的办法；20采样控制方案核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后对控制带来的不利影响。注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。

采样控制方案核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让21前馈及采样控制设计举例矿石由从地下提升到主井，经多台电振给料机振动下料后，送往中碎车间的矿石破碎机进行第一次破碎。破碎后的矿石经3A皮带运输进行筛分处理。较细的矿石送往筛洗车间进行进一步加工，而较粗的矿石则进行第二次破碎，出料再返回3A皮带，再进行一次筛分循环。另外，3A皮带还担负着从1#主井来的较粗矿石的输送任务。

前馈及采样控制设计举例矿石由从地下提升到主井，经多台电振给料22前馈控制结构课件23前馈及采样控制设计举例在3A皮带接受的三路物料中