1、前饋控制資料主要內容根本概念系統構造性能分析設計應用 過程控制系統 按系統的構造特點分類 1、反響控制系統 2、前饋控制系統 3、前饋-反響控制系統4.2.1 前饋控制根本概念控制器動作補償擾動影響被控過程受到擾動產生偏差特點：單回路、串級控制反響閉環控制反響控制 在反響控制系統中，控制器根據被控量與設定值之差進展控制。如果擾動已進入控制系統，而被控量尚未變化，控制器是不會產生校正作用的。由于偏差是在擾動作用之后才產生的，故對于一些滯后包括純滯后和容量滯后較大的對象來說，控制作用往往不及時，使控制過程產生較大的偏差，且偏差持續時間也較長。當工藝對控制質量要求嚴格時，有些場合反響控制便難以滿足要

2、求。 雙容水箱液位控制 例：雙容水箱液位控制 前饋控制 前饋控制正是改善反響控制不及時的一種方法，它是按引起被控量變化的擾動大小進展控制的。當擾動剛出現且能被測出時，控制器就能夠發出控制信號去抑制這種擾動，無須等待被控量的變化。因此，前饋控制對于抑制擾動的影響比反響控制來得快。如果使用恰當，控制質量可獲得改善。這種按照擾動產生校正作用的控制方法，通稱為前饋控制。前饋控制的根本原理：測取進入過程的擾動量(外界擾動和設定值變化)，并按照其信號產生適宜的控制作用去改變控制量。前饋控制的特點：按引起被控量變化的擾動大小進展控制，無須等待被控量的變化。例：換熱器溫度控制 方案一： 反響控制 FBC 用加

3、熱載體的流量控制被加熱流體的溫度 滯后控制 前饋控制方案 FFC 按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響。 方案二： 換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補償由于進料流量變化對出口溫度的影響。 超前控制擾動作用前饋作用前饋控制系統的全補償過程 一、反響控制與前饋控制的特點(一) 反響控制的特點1)反響控制的本質是“基于偏差來消除偏差。2)無論擾動發生在哪里，被控變量產生偏差，調節器才動作。不及時。3)反響控制系統，構成閉環，存在一個穩定性的問題。4)所有擾動都包圍在閉環內，可消除多種擾動。5)反響控制系統中，調節規律：P、PI、PD、PI

4、D。(二) 前饋控制的特點1前饋控制器是“基于擾動來消除擾動對被控量的影響，稱為擾動補償。2按干擾作用的大小進展控制提前，控制及時。3前饋控制屬于開環控制，不存在穩定性的問題：開環控制，控制效果不能通過反響驗證，因此對控制器設計的要求比較嚴格。4是一種根據對象特性設計的“專用控制器。不象反響控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設計依據“擾動補償理論。 5只對被前饋的可測不可控的主要擾動有校正作用。其它擾動無法控制，具有一定的局限性。控制依據檢測的信號控制作用的發生時間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現后前饋控制擾動量的大小擾動量偏差出現前前饋與反響的控制比較系統框圖

5、與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖GPD(s) 干擾通道， GPC(s) 控制通道完全補償條件：FS0 而 YS=0 GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖系統傳遞函數擾動作用前饋作用不變性原理(一) 不變性的根本概念 “不變性是指控制系統的被控量與擾動量完全無關，或在一定準確度下無關。 被控過程f (t)y (t)干擾輸入下的系統f (t)：擾動量，系統輸入參數y (t)：被控量，系統輸出參數當f(t)0時，系統的不變性定義為：y(t)0即被控量y(t)與擾動量f(t)無關不變性的類型1絕對不變性：指系統在擾動量f(t)

6、的作用下被控量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變。2誤差不變性：指準確度有一定限制的不變性，或者說與絕對不變性存在一定誤差為的不變性，又稱為不變性。 系統在擾動量作用f(t) 的作用下，被控量y(t)的偏差小于一個很小的。3) 穩態不變性：系統在穩態工況下，被控量y(t)與擾動量f(t)無關。4選擇不變性：系統采用了被控變量對其中幾個主要擾動實現不變性，稱為選擇性不變性。 基于不變性原理組成的自動控制系統稱為前饋控制系統 實質：按擾動進展補償的開環系統。4.2.2 系統構造與性能分析一、靜態前饋控制 前饋控制作用表達式：mff(D,t) mf是其輸入D進入控制器的擾動量和時間t的函數 靜態前

7、饋控制，是指控制器的輸出量僅是其輸入量的函數而與時間因子無關，簡化表達式： mff(D) 工程上近似表示為線性關系： Kf 前饋控制器的比例系數mf 前饋控制器的輸出D- 輸入的變化量例：換熱器前饋控制，按熱平衡關系列寫出靜態前饋控制方程。解：換熱器的熱平衡方程式忽略熱損失為：F1 C1(T1oT1i)F2 H2(F1F1) C1(T1oT1i)(F2F2) H2F1為主要擾動，為保持出口溫度T1o不變，設冷流體增加為F1+F1，需要載熱體相應變化到F2+F2，那么由上式可得靜態前饋控制方程為：整理后得：Kf為比例常數 F2/F1Kf 如果考慮次要的擾動F2和T1i的變化，把冷流體出口溫度穩定

8、在設定值Tx，那么由式可得靜態前饋控制方程： 前饋控制器 控制方案：單元組合儀表實現換熱器靜態前饋控制方案 靜態前饋控制 1、實現穩定工況下的干擾補償要求沒有動態那么高。有時，為了提高動態品質，可在靜態前饋根底上適當參加動態環節 2、適用于較為簡單的對象，可以寫出靜態方程式 3、單純前饋控制要注意系統穩定性問題： 開環通道穩定，FFC穩定； 開環不穩定對象，要在控制器設計時注意。 動態前饋控制 實現動態干擾補償二、前饋反響控制系統 單純前饋控制的局限性： 1不能根據偏差進展控制效果檢驗 不能反響而不斷糾正偏差 2受模型精度影響GPD(s)、GPC(s) 3一個前饋控制只能處理一個擾動 結合反響

9、、前饋的特點，取長補短，從而形成前饋反響控制方案FFCFBC 對主要干擾進展前饋控制校正及時 對其它干擾進展反響控制反響校正，多干擾控制例：換熱器FFC-FBC系統FFC按負荷F的變化校正蒸汽量F2 。FBC根據溫度偏差對蒸汽量F2進展進一步校正。FFC與FBC作用疊加。完全補償條件與單純FFC一樣。 FFC-FBC優點：1FFC只需對主要干擾進展前饋補償，其余干擾由FBC完成 2由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低 3有模型變化的適應能力 三、前饋串級控制系統 同樣對于前例的換熱器FFC-FBC系統，如果蒸汽流量不穩定，無論FFC或FBC的效果都不能正常發揮。 解決方法：串級控制

10、 前饋串級控制系統，抑制副回路蒸汽量F2的擾動。 前饋補償環節： 1、前饋控制系統適用于什么場合？有某前饋一反響控制系統，其對象干擾通道的傳遞函為 ，調節通道的傳遞函數為 ，反響調節器用PID規律，試設計前饋調節器，并畫出前饋一反響控制系統的方框圖。例： 答：前饋控制系統的特點是按照干擾作用的大小進展調節的，當某一干擾出現后，調節器就對操縱變量進展調整，來補償干擾對被控變量的影響。它調節及時，并且不受系統滯后大小的限制。前饋調節器是開環的調節系統，前饋調節規律不能用PID，它是一種特殊的調節規律，適用于以下4種場合： 1滯后比較大的調節對象； 2時間常數很小的對象； 3非線性的調節對象； 4按

11、計算指標進展調節的對象。 由理想的前饋調節規律可知：方塊圖 2、以下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出 (a)、(b)、(c)所示三種情況的方塊圖，并比較這三種控制方案的特點。 答：其方塊圖如下圖。其中a為典型的串級控制系統。主變量為加熱爐出口溫度T，副變量為燃料油流量Q1 引人副變量Q1的目的是為了及時抑制由于燃料油壓力流量波動對主變量T的影響，以提高主變量T的控制質量。 圖b為典型的前饋一反響控制系統。系統的被控變量是原油的出口溫度。綜合了前饋與反響控制的優點原油流量變化FC燃料油的參加量出口溫度的變化燃料量的參加量TC抑制其它干擾抑制主干擾 圖c串級控制：？雙重控制：？前饋-反響控

12、制：？前饋-串級控制：？ 兩個調節器TC與FC串級工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級控制，但并沒有副回路，只有一個反響回路，執行器的輸出并不能改變原油的流量，所以不能認為是一個串級控制系統。將(c)與(b)相比較，可知將圖(b)中的前饋調節器FC移到了控制回路內，便成了圖(c)所表示的形式了。這時如將FC選擇為比例調節器，那么原油流量的變化仍能及時通過FC來改變燃料油的流量，起到了靜態前饋作用，而TC能根據被控變量的變化起到反響作用。 圖c是一種形似串級控制但實際上是一種前饋反響控制的非標準構造形式。三者的比較串級控制雙重控制前饋-反響控制串級控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的設定信

13、號雙重控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的測量信號前饋-反響控制：一個控制的輸出與另一控制器的輸出信號疊加F1 TC FCT10F2 串級控制雙重控制前饋-反響控制前饋一反響控制與串級控制的比較F1 TC FCT10F2 串級控制系統前饋-反響控制系統前饋一反響控制與雙重控制的比較雙重控制系統前饋-反響控制系統 前饋控制規律取決于對象干擾通道和控制通道的傳遞函數 工業對象特性復雜，導致前饋控制規律種類繁多，不利于實施 工業應用希望控制規律能具有一定的通用性，便于控制實施特別是儀表4.2.3 前饋控制規律的實施 一般的工業對象可以用一階容量滯后加純滯后環節近似,如：GPDS、GPCS GFFS

14、一般控制儀表以及計算機控制系統中都具有此類模塊什么情況下采用前饋控制：1對象滯后較大，反響難以滿足要求，可把主要干擾進展前饋控制 2系統中存在可測、不可控的顯著干擾 3工藝要求實現變量間特殊關系的控制 4.2.4 前饋控制系統的應用靜態前饋還是動態前饋 動態前饋復雜，一般可用靜態前饋，特別是兩通道時間常數相當時。注意前饋控制和串級控制的區別 前饋-反響、串級控制都有兩個控制參數，構造上也有些相似，注意其區別 4.2.5 前饋控制系統的參數整定 Kf 、T1 、T2 的整定Kf 的整定 開環整定法： 斷開反響通道，單純前饋控制，施加干擾，改變Kf ，直到控制變量回到給定值 閉環整定法： 閉環整定法系統方塊圖 T1 T2 的整定 T1 T2 屬于動態參數的整定，比靜態參數的整定復雜，無完整的工程整定方法和計算公式。 看曲線，調參數，反復試湊 定性分析： 1T1