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入過程的干擾(包括外界干擾和設 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實現(xiàn)全補償?shù)臈l件是： 木Q 51 (2.4-2 ) Q（s） 0 時，要求（s） 0 將（1-2 ）式代入（1-1 ）式，可得 58 這種全補償過程。 在Q階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用c和干擾作用d的響應曲線方向相 反，幅值相同。所以它們的合成結(jié)果，可使達到 圖2.4-4前饋 控制全補償示意圖 理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設定值上。顯然，這種理想的控制性 能，反饋控制系統(tǒng)是做不到的。這是因為反饋控制是按被控變量的偏 差動作的。在干擾作用下，受控變量總要經(jīng)歷一個偏離設定值的過渡 過程。前饋控制的另一突出優(yōu)點是，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，沿信號線方向前行，可以回到出發(fā) 點形成閉合回路，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，沿信號線方向前行，不能回到出發(fā)點，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，它已考慮了兩個通道的動態(tài)情 況，是一種動態(tài)前饋補償器。它追求的目標是受控變量的完全不變性。 而在實際生產(chǎn)過程中，有時并沒有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下，實 現(xiàn)對擾動的補償。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 的進口溫度、流量和出口溫度設定值作出靜態(tài)前饋補償。由于在 (2.4-

7、7 )式中，Q與(B li - 0 2)是相乘關系，所以這是一個非線 性算式。由此構成的靜態(tài)前饋控制器也是一種靜態(tài)非線性控制器。 應該注意到，假若(2.4-5 )式是對熱平衡的確切描述的話，那 么由此而構筑的非線性前饋控制器能實現(xiàn)靜態(tài)的全補償。對變量間存 在相乘(或相除)關系的過程，非線性是很嚴重的，假若通過對它們 采用線性化處理來設計線性的前饋控制器，則當工作點轉(zhuǎn)移時，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。增加前饋補償是改進控制 的一條可行途徑。對溫度和成分控制應考慮采用非線性運算和動態(tài)補 償。圖2.4 7中的前饋補償器輸出是作為蒸汽流量回路的設定值。 設置蒸汽流量回路是必要的，它可以使蒸汽流量按前饋補償算式 （2.4-7 ）式的要求進行精確跟蹤。 2. 前饋一反饋控制系統(tǒng) 在理論上，前饋控制可以實現(xiàn)受控變量的不變性，但在工程實踐 中，由于下列原因，前饋控制系統(tǒng)依然會存在偏差。 1）實際的工業(yè)對象會存在多個擾動， 若均設置前饋通道，勢必增 加控制系統(tǒng)投資

9、費用和維護工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾作 前饋通道。這樣設計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）用儀表來實現(xiàn)前饋控制算式時，往往作了近似處理。尤其當綜 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，它們在物理上是不能實現(xiàn)的，構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，也即對于補償?shù)男Ч?沒有檢驗的手段。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)合起來應用，構成前饋一反 饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時的優(yōu)點，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) 應用不變性原

11、理條件Q(s) 0時，要求o(s) 0，代入(2.4-8) 式，可導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 實現(xiàn)“全補償”的算式是相同的。 前饋一反饋系統(tǒng)具有下列優(yōu)點： 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，對干擾作了及時的粗調(diào) 作用，大大減小了控制的負擔。 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，這實際上是將所要 求的物料量F與加熱蒸汽量Fs的對應關系，轉(zhuǎn)化為物料流量與控制 閥膜頭壓力間的關系。這樣為了保證前饋補償?shù)木?，對控制閥提出 了嚴格的要求，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不同的蒸汽流 量，這就無法實現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個問題，工程上將在 原有的反饋控制回路中再增設一個蒸汽流量副回路，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 ) 因為串級系統(tǒng)最佳設計 Gc2(S)G pc2 (s)1 1 Gc2(s)Gpc2(s) 根據(jù)不變性原理當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)律的實施 1. 系統(tǒng)設計 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 指標要求嚴格工藝要求實現(xiàn)參數(shù)間的某種特殊關系，即按某一種數(shù)學 模型來進行調(diào)節(jié) 2. 前饋補償裝置的控制算法 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 的特性極為復雜，這就導致了前饋控制規(guī)律的形式繁多， 但從工業(yè)應 用的觀點看，尤其是應用常規(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，以利于設計、運行和維護。實踐證明， 相當數(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?一個一階或二階容量滯后，必要時再串聯(lián)一個純滯后環(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 純滯后補償 e fS 1S fS (2.4-16) 當f較小時， 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”前饋補償模型，已成為目前廣泛應用的一種 動態(tài)前饋補償模式。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：