第7章前饋控制系統設計單回路控制系統設計串級控制系統設計

都是負反饋，當擾動發生,通過檢測擾動引起的輸出偏差進行調節。所以負反饋進行擾動調節時，輸出必然有波動。有沒有這樣一種控制，當干擾一出現，在其影響輸出之前，就進行抑制，從而對輸出沒有影響？此控制具有以下特征：在擾動影響輸出前進行調節。直接測量擾動大小，通過調節，實現對擾動的完全補償，從而實現消除擾動對輸出的影響。前饋控制就是測量擾動，補償擾動的控制本章內容1前饋控制的基本概念2前饋控制器的設計3前饋-反饋，前饋-串級復合控制系統4前饋控制系統的應用原則5前饋控制系統的參數整定6前饋控制系統典型應用1前饋控制的基本概念前饋控制是相對于反饋控制而言的。1、反饋控制：Feedbackcontrol簡稱FBC反饋控制在被控參數偏離給定值后，依據偏差，控制器發出控制指令，補償擾動對被控參數的影響

反饋控制特點：當干擾已經發生，但是被控參數尚未變化，偏差=0，則控制器不產生調節作用。例如：閉環中的干擾：冷流體流量波動干擾設定

測量變送

反饋控制器

執行器被控變量對象偏差——基于偏差的控制反饋控制總要滯后擾動，是一種不及時的控制。反饋控制是閉環控制，存在穩定性問題。對閉環回路中擾動都有調節作用。調節器一般采用P、I、D控制規律，具有通用性。干擾設定

測量變送

反饋控制器

執行器被控變量對象偏差2、前饋控制Feedforwardcontrol簡稱FFC當擾動一旦出現，調節器就根據擾動的大小和性質進行控制，補償擾動對系統的影響，使被控參數不變。例如：閉環中的干擾：冷流體流量波動—突然增加這種直接根據造成偏差原因--擾動進行的控制稱為前饋控制

前饋控制：當冷流體流量增加N時，其對輸出溫度影響假如為Y1，當其一產生，即改變蒸汽流量Fs，使得蒸汽Fs對輸出溫度影響為-Y1，那么輸出溫度就不會變化。通過設計前饋調節器，使得調節器改變的量剛好補償干擾對對象的影響。對象干擾前饋調節器執行器被控變量測量變送器干擾通道Y1-Y1前饋控制特點：①前饋控制器是“測量擾動，消除擾動對被控量的影響”。前饋調節器又稱為“擾動補償器”。②擾動發生，前饋控制器動作及時，對抑制由于擾動引起的動、靜態偏差比較快速有效。③前饋控制屬開環控制，只要系統中各環節穩定，控制系統必定穩定。對象干擾前饋控制器執行器被控變量測量變送器干擾通道Y1-Y1④只對被測量的可測而不可控的擾動有校正作用，而對系統中的其他擾動無校正作用。即前饋控制具有指定性補償的局限性。⑤前饋控制器的控制規律，取決于被控對象的特性，因此，有時控制規律比較復雜。對象干擾前饋控制器執行器被控變量測量變送器干擾通道Y1-Y1前饋控制與反饋控制比較干擾設定

測量變送

反饋控制器

執行器被控變量對象偏差對象干擾前饋控制器執行器被控變量

測量變送器干擾通道Y1-Y1特點比較：前饋基于干擾控制，反饋基于偏差控制抑制干擾，前饋控制比反饋控制及時有效前饋控制屬于開環控制系統，反饋控制是閉環控制系統前饋控制使用的是與實施對象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用PID控制器一種前饋控制只能克服一種干擾，反饋控制只用一個控制器就可克服多個干擾前饋控制的應用場合

系統中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數影響顯著，單用反饋控制達不到質量要求時。

當控制系統的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制不及時影響控制質量時，可采用前饋或前饋－反饋控制系統。2前饋控制器的設計不變性原理是前饋控制的理論基礎。一、不變性原理不變性原理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。

被控過程及儀表

Y(t)N(t)

按照控制系統輸出參數與輸入參數的不變性程度，分為幾種不變性類型：

1．絕對不變性

2．穩態不變性3．ε不變性1．絕對不變性被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，過渡過程中始終不變。即靜態和動態偏差都為0。前饋控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前饋控制方框圖WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)前饋控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前饋控制方框圖NΔNyy2(t)y1(t)tt前饋控制系統補償過程WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)y1(t)+y2(t)=02．穩態不變性被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，系統在穩態偏差與擾動無關。即靜態偏差為0，動態不為0。y1(t)y2(t)系統輸出y(t)靜態偏差為0動態偏差不為03．ε不變性被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，系統偏差小于一個小量，用ε表示。y1(t)y2(t)系統輸出y(t)ε二、前饋控制器的設計1）輸出Y(s)與擾動N(s)之間關系：WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)對象Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)V(S)Wo(S)V(S)根據框圖，有：則根據絕對不變性原理：Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)滿足輸出絕對不變性前饋控制器：滿足輸出絕對不變性的前饋控制器是由系統對象的擾動通道特性和控制通道特性決定。當對象通道特性比較復雜時,前饋控制器復雜,難以實現。所以滿足絕對不變性的前饋控制器實現條件比較復雜。滿足穩態不變性前饋控制器實現結構簡單,且穩態誤差為0。2）前饋控制器的設計

前饋控制器有兩種形式：靜態、動態1、靜態前饋控制器滿足穩態不變性，取t->∞(即s->0)的值。即只取其通道增益。有：靜態前饋控制器是一個比例環節。擾動N

擾動輸出調節輸出系統輸出t->∞Wff(s)Wo(s)Wf(s)N擾動N

動態前饋要補償的面積動態過程產生的偏差擾動輸出前饋補償系統輸出2、動態前饋控制器動態前饋Wff(s)滿足絕對不變性：靜態前饋控制常見擾動通道和控制通道特性為帶純滯后一階慣性環節。動態前饋控制器:討論：（1）To=Tf，則若,動態前饋為純遲延,可實現；若,動態前饋為純提前,不可實現。擾動N由此可得：在選擇控制通道時應選擇純遲延短的通道。Wff(s)Wo(s)Wf(s)N控制控制（2）τf=τo，則若To=Tf

,若To>Tf

,若To<Tf

,為超前補償特性為滯后補償特性為比例環節擾動N一般對象的純遲延并不明顯，因此動態前饋常采用:Wff(s)Wo(s)Wf(s)N超前滯后3復合控制系統1、單純的前饋控制系統2、前饋-反饋復合控制系統3、前饋-串級復合控制系統1、單純的前饋控制系統(1)動態前饋控制（基于“絕對不變性原理”）WffNFMffY考慮過程對象通道特性如圖所示換熱器前饋控制系統即為單純的動態前饋控制。NΔNYY2Y1ttGff(S)Gf(S)Go(S)++Y1

Y2NY前饋控制方框圖補償原理：通過合適的前饋控制規律的選擇，使干擾經過前饋控制器至被控變量控制通道的動態特性與對象干擾通道的動態特性完全一致，并且符號相反，以達到補償效果。（2）靜態前饋控制

（基于穩態不變性原理）

定義：前饋控制器的輸出Mff僅僅是輸入量的函數，而與時間因子t無關，稱為靜態前饋控制。

適用范圍：一般對于補償要求不高或干擾通道與控制通道的動態響應相近，可采用靜態前饋控制。

對于一些較簡單的對象，有條件列寫有關參數的靜態方程時，則可按照方程求得靜態前饋控制方案。

WffNFSMffY

Y2

Cp—物料的比熱容hs—蒸汽的汽化潛熱例如：如圖所示，換熱器溫度控制系統中，主物料流量波動N為主要干擾，忽略熱損失。則熱量平衡式為：由上式可求得，靜態前饋控制方程式為：靜態前饋控制原理圖ΣNFSMffY

Y2

×Cp/hSX

-FC×2、前饋-反饋復合控制系統

單純前饋控制的存在問題：

(1)補償效果無法檢驗：單純前饋不存在被控變量的反饋，補償效果沒有檢驗的手段，前饋作用并沒有最后消除偏差時，系統無法得知這一信息而作進一步的校正。（2）多個干擾成本大：由于工業對象存在多個干擾，勢必要設置多個前饋控制通道，因而增加了投資費用和維護工作量。（3）控制精度不高：前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象特性要受到負荷和工況等因素的影響而產生漂移，導致Wo(s)和Wf(s)的變化。反饋控制的優點：任何擾動對系統的影響均可消除；系統準確性高。反饋控制的缺點：有偏差才控制;不能事先規定調節器的輸出。將前饋、反饋控制結合可優勢互補，揚長避短前饋與反饋相結合，構成前饋—反饋控制系統（FFC-FBC）

當N變化時，前饋控制器改變加熱蒸氣Fs以補償N對被控變量Y的影響；同時反饋對其它干擾如物料入口溫度等按PID規律進行校正，這樣兩個校正作用相疊加，使Y盡快回到給定值。Gff對象MffY

Y2

ΣFSTCSp前饋、反饋控制分別在系統中作用：前饋控制克服反饋控制不易克服的主要干擾，而對其它干擾則進行反饋控制。前饋-反饋控制方框圖Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-Y1

SpNY+Y2TC(S)Wff對象Mff

ΣFSTCSpNY干擾N對被控變量Y的閉環傳遞函數為：Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-Y1

SpNY+Y2TC(S)應用絕對不變性條件：可推導出前饋控制器的傳遞函數：可見:FFC-FBC系統實現完全補償的條件與FFC相同。思考：如果前饋控制信號線接在反饋信號前如何設計前饋控制器？前饋—反饋控制系統優點：

（1）由于增加了反饋回路，只需對主要的干擾進行前饋補償，其它干擾可由反饋控制予以校正，大大簡化了原有前饋控制系統；

（2）反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求；（3）負荷變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補償，因此系統具有一定自適應能力。

（4）當前饋信號加在反饋信號之前時，前饋控制器特性不僅與擾動通道特性和控制通道特性有關，而且與反饋控制器特性有關。（同學試自己推導）3、前饋-串級復合控制系統

前饋-反饋控制系統的局限性：

前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出相疊加后送至控制閥，這實際上將所要求的物料流量與加熱蒸氣流量對應關系轉化為物料流量與控制閥膜片壓力間的關系。

這樣為了保證前饋補償的精度，對控制閥(執行器)提出了嚴格要求，希望它靈敏、線性及盡可能小的滯環區。另外，當有多個主要干擾時，用前饋-反饋不能得到要求的控制質量。Wff對象

MffY

ΣFSTCSpSpWffNMffY1

Y2

Σ

TCFCFS前饋-串級控制方框圖Wff(S)Wf(S)Wo1(S)+-SpNYTC(S)+Wo2(S)FC(S)-利用串級控制副回路的特性，降低對執行器要求：同樣，可根據不變性條件推導Wff的傳遞函數。式中，G’o2為副回路等效對象的傳遞函數：Wff(S)Wf(S)Wo1(S)+-SpNYTC(S)+Wo2(S)FC(S)-

串級控制系統中副回路是一個很好的隨動系統，可把副回路近似處理為：應用不變性條件：可推導出前饋控制器的傳遞函數：

可見，無論哪種形式的前饋控制系統，其前饋控制器的傳遞函數均可表示為對象的干擾通道與控制通道的特性之比，并前面加以“負”號。4前饋控制系統的應用原則

前饋控制系統的應用原則：（1）對象的滯后或純滯后（控制通道）較大，反饋控制難以滿足工藝要求，可以采用前饋控制把主要干擾引入前饋控制，構成前饋-反饋控制系統。（2）系統中存在著可測、不可控、變化頻繁、幅值大且對被控變量影響顯著的干擾，可采用前饋控制大大提高控制品質。

（3）在決定選用前饋控制方案后，當靜態前饋能滿足工藝要求時，不必選用動態前饋。特別注意:

串級控制系統與前饋-反饋控制系統在結構上的區別。T1CT2C燃料原油T1C燃料原油WffΣ

串級控制系統前饋-反饋控制系統設計錯誤的串級控制系統TC燃料原油FC上圖所示的系統方框圖FTWf(S)Wo(S)+-FTC-FC5前饋控制系統的參數整定1)Kff的整定（靜態）2)T1、T2的整定1）Kff的整定重要性：如果Kff過小，補償不足。如果Kff過大，則相當對反饋控制路施加了干擾，將會輸出錯誤的靜態前饋輸出。Kff的整定方法：

（1）開環整定方法：開環整定是在反饋回路斷開，使系統處于單純靜態前饋狀態下，施加干擾，Kff由小逐步增大，直到被控變量回到給定值，此時Kff為最佳值。

Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K（2）閉環整定方法：Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K在FFC-FBC運行下整定方法1：開關K打開，在只有反饋時，整定反饋控制器的參數；

開關K閉合，使系統處于前饋—反饋狀態，施加同樣的干擾作用，由小而大逐漸改變Kff值。系統輸出為以下幾種情況:Kff=0無前饋Kff適當補償合適Kff太小欠補償Kff過大過補償欠補償,增大Kff,施加同樣干擾,看輸出過補償,減小Kff,施加同樣干擾,看輸出方法2：差值法：測量前饋控制器輸入，輸出變化量；算比值輸入：擾動量輸出：控制量Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K步驟：

a、開關K打開，在只有反饋和擾動N0時，整定反饋控制器的輸出；記錄穩定后擾動量N0和反饋控制器輸出u0

b、人為改變擾動大小為N1；記錄穩定后擾動量N1和反饋控制器輸出u1

c、按下式計算：

d、設置Kff值，施加擾動，觀察輸出。如果輸出不夠理想，調整。Kff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K2）T1、T2的整定看過渡過程曲線，調參數的經驗法：1.欠補償曲線：第一個峰值沒有大的減小。當T1過小或T2過大時，如圖(a)。2.過補償曲線：出現反向的過調輸出。當T1過大或T2過小時，如圖(b)。3.補償合適曲線：第一個峰值明顯減小，也未出現反向過調輸出當T1、T2分別接近或等于對象控制通道和干擾通道時間常數時，,如圖(c)。yt(a)欠補償ty(b)過補償yt(c)補償合適動態前饋補償器T1和T2的整定補償合適：T1=To，T2=Tf，為完全動態補償；T1、T2為其他值，為欠補償或過補償：藍線為前饋控制器輸出，紅線為系統輸出欠補償過補償

特別說明：

由于過補償往往是前饋控制系統危險之源，它會破壞控制過程，甚至達到不能允許的地步。相反，欠補償卻是尋求合理的前饋動態參數的途徑。因此動態參數的整定應從欠補償開始，逐漸強化前饋作用，即增大T1或減小T2，直至出現過補償的趨勢，再略減前饋作用，便可獲滿意的控制過程。1.欠補償曲線：增強前饋補償作用，T1↑或T2↓。2.過補償曲線：減小前饋補償作用，T1↓或T2↑。直到出現補償合適曲線。1、連續消毒塔溫度控制制藥業中，抗菌素生產采用培養基發酵的方法進行。培養基是用糧食、油料等粉劑和水制成，在它進入發酵罐接種之前必須進行滅菌消毒。過去的消毒方法是把培養基放到發酵罐中，用蒸汽加溫到128度左右，保持一段時間，殺滅其中的霉菌，并將培養基煮成熟料。消毒后的培養基還需要冷卻到適當的溫度，方能接種發酵。這種消毒方法的操作周期很長。典型應用舉例為了改進上述消毒時間過長的缺點，采用了連續消毒方法。培養基液料經預熱后由離心泵送入連續消毒塔，與蒸汽直接混合使其溫度上升到128度然后進入維持罐停留保溫15分鐘，以便充分滅菌，再經排管冷卻后去發酵罐接種發酵。連續消毒塔的主要控制指標是培養基連續消毒塔的溫度。必須對它進行控制通常要求控制精度為128±2℃。對于連續消毒塔的出口溫度，采用單回路