前饋控制系統(tǒng)的基本原理

1、前饋控制系統(tǒng)的基本原理 前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)的基本原理 前饋控制的基本概念是測取進(jìn)入過程的干擾(包括外界干擾和設(shè) 定值變化)，并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量，使受 控變量維持在設(shè)定值上。圖2.4-1物料出口溫度 需要維持恒定，選 用反饋控制系統(tǒng)。若考慮干擾僅是物料流量Q，則可組成圖2.4-2前 Gs為操縱變量 圖2.4-2 前饋控制 圖2.4-1反饋控制 前饋控制的方塊圖，如圖2.4-3 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為： Gpd(S) Gff(S)Gpc(S) Q(S) (2.4-1) 式中Gpd (s)、Gpc (s)分別表示對象干擾 道和控制通道的傳遞函數(shù)； Gff(s)為前饋控

2、圖2.4-3 前饋控制方塊圖 制器的傳遞函數(shù)。 系統(tǒng)對擾動Q實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)臈l件是： 木Q 51 (2.4-2 ) Q（s） 0 時(shí)，要求（s） 0 將（1-2 ）式代入（1-1 ）式，可得 58 這種全補(bǔ)償過程。 在Q階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用c和干擾作用d的響應(yīng)曲線方向相 反，幅值相同。所以它們的合成結(jié)果，可使達(dá)到 圖2.4-4前饋 控制全補(bǔ)償示意圖 理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設(shè)定值上。顯然，這種理想的控制性 能，反饋控制系統(tǒng)是做不到的。這是因?yàn)榉答伩刂剖前幢豢刈兞康钠?差動作的。在干擾作用下，受控變量總要經(jīng)歷一個(gè)偏離設(shè)定值的過渡 過程。前饋控制的另一突出優(yōu)點(diǎn)是，本身不形成閉合反饋回路，不存 在閉

3、環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。 由以上反饋控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)方塊圖可知： 1.前饋控制與反饋控制的比較 2.4-6前饋控制方塊圖 流量 1）前饋是“開環(huán)”，反饋是“閉環(huán)”控制系統(tǒng) 從圖上可以看到，表面上，兩種控制系統(tǒng)都形成了環(huán)路， 但反饋 控制系統(tǒng)中，在環(huán)路上的任一點(diǎn)，沿信號線方向前行，可以回到出發(fā) 點(diǎn)形成閉合回路，成為“閉環(huán)”控制系統(tǒng)。而在前饋控制系統(tǒng)中， 在環(huán)路上的任一點(diǎn)，沿信號線方向前行，不能回到出發(fā)點(diǎn)，不能形成 閉合環(huán)路，因此稱其為“開環(huán)”控制系統(tǒng)。 2）前饋系統(tǒng)中測量干擾量，反饋系統(tǒng)中測量被控變量 在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測量被控變量，而單純的反饋控制 系統(tǒng)

4、中不測量干擾量。 3）前饋需要專用調(diào)節(jié)器，反饋一般只要用通用調(diào)節(jié)器 由于前饋控制的精確性和及時(shí)性取決于干擾通道和調(diào)節(jié)通道的 特性，且要求較高，因此，通常每一種前饋控制都采用特殊的專用調(diào) 節(jié)器，而反饋基本上不管干擾通道的特性，且允許被控變量有波動， 因此，可采用通用調(diào)節(jié)器。 4）前饋只能克服所測量的干擾，反饋則可克服所有干擾 前饋控制系統(tǒng)中若干擾量不可測量， 前饋就不可能加以克服。而 反饋控制系統(tǒng)中，任何干擾，只要它影響到被控變量，都能在一定程 度上加以克服。 5）前饋理論上可以無差，反饋必定有差 如果系統(tǒng)中的干擾數(shù)量很少，前饋控制可以逐個(gè)測量干擾，加以 克服，理論上可以做到被控變量無差。 而反

5、饋控制系統(tǒng)，無論干擾的 多與少、大與小，只有當(dāng)干擾影響到被控變量，產(chǎn)生“差”之后，才 能知道有了干擾，然后加以克服，因此必定有差 前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式 1 .靜態(tài)前饋 由（1-3 ）式求得的前饋控制器，它已考慮了兩個(gè)通道的動態(tài)情 況，是一種動態(tài)前饋補(bǔ)償器。它追求的目標(biāo)是受控變量的完全不變性。 而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有時(shí)并沒有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下，實(shí) 現(xiàn)對擾動的補(bǔ)償。令（1-3 ）式中的S為0,即可得靜態(tài)前饋控制算 式： Gf(0) Gpd (0) Gpc(0) （244 ） 利用物料（或能量）衡算式，可方便地獲取較完善的靜態(tài)前饋算式。 例如，圖2-4-2所示的熱交換過程，假若忽略熱損

6、失，其熱平衡關(guān)系 可表述為： QC p(0 i ) GsHs （2.4-5 ） 式中Cp物料比熱 H s 蒸汽汽化潛熱 Q物料量流量 Gs 載熱體（蒸汽）流量 換熱器入口溫度 0換熱器出口溫度 由(2.4-5 )式可解得: Gs Q?( o i) H s (2.4-6 ) 用物料出口溫度的設(shè)定值io代替上式中的，可得 CP Gs=Q - (io i ) H S (2.4-7) 上式即為靜態(tài)前饋控制算式。相應(yīng)的控制流程示于圖2-4-7 圖2.4-7換熱器的靜態(tài)前饋控制 圖中虛線框表示了靜態(tài)前饋控制裝置。 它是多輸入的，能對物料 的進(jìn)口溫度、流量和出口溫度設(shè)定值作出靜態(tài)前饋補(bǔ)償。由于在 (2.4-

7、7 )式中，Q與(B li - 0 2)是相乘關(guān)系，所以這是一個(gè)非線 性算式。由此構(gòu)成的靜態(tài)前饋控制器也是一種靜態(tài)非線性控制器。 應(yīng)該注意到，假若(2.4-5 )式是對熱平衡的確切描述的話，那 么由此而構(gòu)筑的非線性前饋控制器能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的全補(bǔ)償。對變量間存 在相乘(或相除)關(guān)系的過程，非線性是很嚴(yán)重的，假若通過對它們 采用線性化處理來設(shè)計(jì)線性的前饋控制器，則當(dāng)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移時(shí)，往往 會帶來很大誤差。 在化工工藝參數(shù)中，液位和壓力反映的是流量的積累量，因此液 位和壓力的前饋計(jì)算一般是線性的。但是溫度和成分等參數(shù)它們代表 流體的性質(zhì)，其前饋計(jì)算常以非線性面目出現(xiàn)。 從采用前饋控制的必 要性來看，一般是溫

8、度和成分甚于液位和壓力。 一方面是由于穩(wěn)定前 者的重要性往往甚于后者，另一方面溫度和成分對象一般有多重滯 后，僅采用反饋調(diào)節(jié)，質(zhì)量還會不和要求。增加前饋補(bǔ)償是改進(jìn)控制 的一條可行途徑。對溫度和成分控制應(yīng)考慮采用非線性運(yùn)算和動態(tài)補(bǔ) 償。圖2.4 7中的前饋補(bǔ)償器輸出是作為蒸汽流量回路的設(shè)定值。 設(shè)置蒸汽流量回路是必要的，它可以使蒸汽流量按前饋補(bǔ)償算式 （2.4-7 ）式的要求進(jìn)行精確跟蹤。 2. 前饋一反饋控制系統(tǒng) 在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)受控變量的不變性，但在工程實(shí)踐 中，由于下列原因，前饋控制系統(tǒng)依然會存在偏差。 1）實(shí)際的工業(yè)對象會存在多個(gè)擾動， 若均設(shè)置前饋通道，勢必增 加控制系統(tǒng)投資

9、費(fèi)用和維護(hù)工作量。因而一般僅選擇幾個(gè)主要干擾作 前饋通道。這樣設(shè)計(jì)的前饋控制器對其它干擾是絲毫沒有校正作用 的。 2）受前饋控制模型精度限制。 3）用儀表來實(shí)現(xiàn)前饋控制算式時(shí)，往往作了近似處理。尤其當(dāng)綜 合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié) es或純微分環(huán)節(jié)仃ds 1） 時(shí)，它們在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)筑的前饋控制器只能是近似的： 如將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，將純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán) 前饋控制系統(tǒng)中，不存在受控變量的反饋，也即對于補(bǔ)償?shù)男Ч?沒有檢驗(yàn)的手段。因此，如果控制的結(jié)果無法消除受控變量的偏差， 系統(tǒng)也無法獲得這一信息而作進(jìn)一步的校正。 為了解決前饋控制的這 以局限性，在工程中往

10、往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋一反 饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋 控制能克服多種擾動及對受控變量最終檢驗(yàn)的長處，是一種適合化工 過程控制、較有發(fā)展前途的控制方法。換熱器的前饋一一反饋控制系 統(tǒng)及其方塊圖分別表示在圖2.4-8和圖2.4-9。 Gf址)漏闇 牛L Gc料3抵紹 +丈 7 圖2.4-8換熱器的前饋一反饋控制系統(tǒng)圖 2.4-9前饋一反饋控制系統(tǒng)方塊圖 圖2.4-9所示前饋一反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 o(s)=Gpd (s)Gf (s)Gpc(s) Q (s)1 Gc (s)Gpc (s)1 Gc (s)Gpc (s) (2.4-8) 應(yīng)用不變性原

11、理?xiàng)l件Q(s) 0時(shí)，要求o(s) 0，代入(2.4-8) 式，可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為 Gff (s) Gpd (s) GPC (s) （2.4-9 ） 比較（2.4-9 ）式和（2.4-3 ）式可知，前饋一反饋控制與純前饋控制 實(shí)現(xiàn)“全補(bǔ)償”的算式是相同的。 前饋一反饋系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)： 從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對前饋控制模型 的精度要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。 從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時(shí)的粗調(diào) 作用，大大減小了控制的負(fù)擔(dān)。 3. 前饋一串級控制系統(tǒng) 分析圖2.4-6換熱器的前饋一反饋控制系統(tǒng)可知，前饋控制器的 輸出與反饋控制

12、器的輸出疊加后直接送至控制閥，這實(shí)際上是將所要 求的物料量F與加熱蒸汽量Fs的對應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)化為物料流量與控制 閥膜頭壓力間的關(guān)系。這樣為了保證前饋補(bǔ)償?shù)木龋瑢刂崎y提出 了嚴(yán)格的要求，希望它靈敏、線性及盡可能小的滯環(huán)區(qū)。此外還要求 控制閥前后的壓差恒定，否則，同樣的前饋輸出將對應(yīng)不同的蒸汽流 量，這就無法實(shí)現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個(gè)問題，工程上將在 原有的反饋控制回路中再增設(shè)一個(gè)蒸汽流量副回路，把前饋控制器的 輸出與溫度控制器的輸出疊加后，作為蒸汽流量控制器的給定值。 圖2.4-10前饋一串級控制系統(tǒng) C Q(s) Gff(s) GC2 (S)Gpc2 (s) 1 GC2 (S)G PC

13、2 (s) (S) 1 Gci(s)Gpci(s)iG；f(s)G；C2(s) 1 GC2 (s)GPC2 (s) Gpd (s) 1 G (s)G (s) GC2 (s)GPC2 (s) 1 GC1 (s)GPC1 (s)- 1GC2 (s)GPC2 (s) (2410 ) 因?yàn)榇壪到y(tǒng)最佳設(shè)計(jì) Gc2(S)G pc2 (s)1 1 Gc2(s)Gpc2(s) 根據(jù)不變性原理當(dāng)Q(s) 0, (s) 0 Gff(s) Gpd (s) Gpc (s) 丄 10 圖 2.4-11 前饋一串級控制系統(tǒng)方框圖 2 4 59 前饋控制規(guī)律的實(shí)施 1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對可測不可控的干擾，變化幅度大，且對被調(diào)

14、參數(shù)影響大，工藝 指標(biāo)要求嚴(yán)格工藝要求實(shí)現(xiàn)參數(shù)間的某種特殊關(guān)系，即按某一種數(shù)學(xué) 模型來進(jìn)行調(diào)節(jié) 2. 前饋補(bǔ)償裝置的控制算法 通過對前饋控制系統(tǒng)的幾種典型結(jié)構(gòu)形式的分析可知，前饋控制 器的控制規(guī)律取決于對象干擾通道與控制通道的特性。由于工業(yè)對象 的特性極為復(fù)雜，這就導(dǎo)致了前饋控制規(guī)律的形式繁多， 但從工業(yè)應(yīng) 用的觀點(diǎn)看，尤其是應(yīng)用常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng)， 總是力求控制儀 表的模式具有一定的通用性，以利于設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)。實(shí)踐證明， 相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對象都具有非周期性與過阻尼的特性，因此經(jīng)?？捎?一個(gè)一階或二階容量滯后，必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來近似它。 Gf(S) TpS 1 Li TfS 1

15、 (2413 ) 超前滯后環(huán)節(jié) 輸出 K TfS+l + 存1K需 (2.4-14) K 1 Tf (2.4-15)圖 2.4-13 超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖 純滯后補(bǔ)償 e fS 1S fS (2.4-16) 當(dāng)f較小時(shí)， fS e f s e2 f 1S (2417) Gff(S) TpS 1 e dS 1 L1 (2.4-18) 上式所示為帶有純滯后的“超前一滯后”前饋控制規(guī)律，其純滯后環(huán) 節(jié)按 1 S e fS 2 1 fS 1 2 （2.4-19 ） 近似展開。 此種“超前一滯后”前饋補(bǔ)償模型，已成為目前廣泛應(yīng)用的一種 動態(tài)前饋補(bǔ)償模式。這種通用型前饋控制模型在單位階躍作用下的輸 出特性為：