前饋控制系統(tǒng)地基本基礎(chǔ)學(xué)習(xí)知識原理

1、G s 為操縱變量。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(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 前饋控制方案。方案中選擇加熱蒸汽量圖 2.4-1反饋控制圖 2.4-2前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：Q1(S)G ff ( S)G PC ( S)GPD (S)Q(S)（2.4-1 ）式中 G PD (s) 、 G PC (s) 分別表示對象干擾道和

2、控制通道的傳遞函數(shù)； G ff(s) 為前饋控圖 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：Q( s) 0 時，要求 ( s) 0（2.4-2 ）將（ 1-2 ）式代入（ 1-1 ）式，可得G ff ( s)=GPD (S)GPC (S)（2.4-3 ）滿足（1-3 ）式的前饋補償裝置使受控變量不受擾動量 Q 變化的影響。圖 2-4-4表示了這種全補償過程。在 Q 階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用c 和干擾作用d 的響應(yīng)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(shè)定值上。顯然，這種理想的控制性能，反

3、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(shè)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。1前饋控制與反饋控制的比較圖 2.4-5反饋控制方塊圖圖2.4-6前饋控制方塊圖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

4、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)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

5、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(biāo)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：G

6、ff (0)GPD (0)G PC (0)（ 2.4-4 ）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，假若忽略熱損失，其熱平衡關(guān)系可表述為：QC p ( 0i )G s H s（ 2.4-5 ）式中C p 物料比熱H s 蒸汽汽化潛熱Q 物料量流量G s 載熱體（蒸汽）流量i 換熱器入口溫度0 換熱器出口溫度由（ 2.4-5 ）式可解得：C pGSQ( 0i )H s（ 2.4-6 ）用物料出口溫度的設(shè)定值10 代替上式中的0 ，可得G s=QC P H S(10I )（ 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-

7、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(shè)定值作出靜態(tài)前饋補償。由于在（2.4-7 ）式中， Q 與（ 1i - 2）是相乘關(guān)系，所以這是一個非線性算式。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現(xiàn)靜態(tài)的全補償。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)計線性的前饋控制器，則當(dāng)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

8、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(yīng)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(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償算式（ 2.4-7 ）式的要求進行精確跟蹤。2前饋反饋控制系統(tǒng)在理論上，前饋控制可以實現(xiàn)受控變量的不變性，

9、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(shè)置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費用和維護工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾作前饋通道。這樣設(shè)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(dāng)綜合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié)e s 或純微分環(huán)節(jié)(TD s1)時，它們在物理上是不能實現(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)節(jié)。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麤]有檢驗的手段。因此，如果

10、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，在工程中往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用， 構(gòu)成前饋反饋控制系統(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 。圖 2.4-8換熱器的前饋反饋控制系統(tǒng)圖2.4-9前饋反饋控制系統(tǒng)方塊圖圖 2.4-9 所示前饋反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為0 (s)=GPD ( s)G ff (s)GPC ( s)Q (s)1 GC (s

11、)GPC (s) 1 GC ( s)GPC (s)（2.4-8 ）應(yīng)用不變性原理條件Q ( s) 0 時，要求 0 ( s)0 ，代入（ 2.4-8 ）式，可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為G ff (s)（ 2.4-9 ）G PD (s)G PC (s)比較（ 2.4-9 ）式和（ 2.4-3 ）式可知，前饋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(dān)。3前饋串級控制系統(tǒng)分析

12、圖 2.4-6 換熱器的前饋反饋控制系統(tǒng)可知， 前饋控制器的輸出與反饋控制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(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償?shù)木龋?對控制閥提出了嚴(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(shè)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前饋串級控制系統(tǒng)圖 2

13、.4-11前饋串級控制系統(tǒng)方框圖GC 2 ( s)GPC 2 (s)G ff ( s)GC2 (s)G PC 2 ( s)GPD ( s)Q(s)1( s)( s)GPC 1GC2 (s)GPC 2 ( s)1 GC1(s)GPC 1G C2 (s)GPC 2 (s)1 Gc1( s)GC 2 (s)GPC 2 (s)(s)11 GC 2 (s)GPC 2 (s)（ 2.4-10 ）因為串級系統(tǒng)最佳設(shè)計主1 則副10Gc 2 ( s)G pc2 (s)1，1 Gc2 (s)Gpc 2 (s)根據(jù)不變性原理當(dāng) Q(s) 0, ( s) 0則G PD (s)（ 2.4-12）G ff (s)G P

14、C (s)2.4-12曲線圖前饋控制規(guī)律的實施1. 系統(tǒng)設(shè)計對可測不可控的干擾，變化幅度大，且對被調(diào)參數(shù)影響大，工藝指標(biāo)要求嚴(yán)格工藝要求實現(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(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、運行和維護。實踐證明，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)?？捎靡粋€一階或二階

15、容量滯后，必要時再串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)來近似它。G ff (S)KTP S1e L1 L2d T f S1（ 2.4-13 ）超前滯后環(huán)節(jié)TP S1KT f S1K1T f S 1TPK1T f（ 2.4-14 ）（2.4-15 ）圖 2.4-13超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖 純滯后補償1fSef s211fS2(2.4-16)S(f s) 2f1fs2= 1fs當(dāng) f較 小 時 ， ef se 2222fs(f s) 21fse 221f222（2.4-17 ）G ff (S)KTP S1e L1 L2d T f S1（ 2.4-18 ）上式所示為帶有純滯后的“超前滯后”前饋控制規(guī)律， 其純滯后環(huán)節(jié)按1f Sef s21f S12（ 2.4-19 ）近似展開。此種“超前滯后”前饋補償模型，已成為目前廣泛應(yīng)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：tm(t)1( 11)e T1（ 2.4-20 ）式中，T fT2， <1， Tf < TP 過補償；&