前饋控制系統(tǒng)的基本原理

1、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，則可組成圖2.4-2前饋控制方案。方案中選擇加熱蒸汽量為操縱變量。 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： （2.4-1） 式中、分別表示對象干擾道和控制通道的傳遞函數(shù)；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)對擾動實現(xiàn)全補償?shù)臈l件是：時，要求 （2.4-2）將

2、（1-2）式代入（1-1）式，可得 = （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變化的影響。圖2-4-4表示了這種全補償過程。在階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用和干擾作用的響應(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

3、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

4、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

5、，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： （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： （2.4-5） 式中 物料比熱 蒸汽汽化潛熱 物料量流量 載熱體（蒸汽）流量 換熱器入口溫度 換熱器出口溫度由（2.4-5）式可解得：

6、 （2.4-6）用物料出口溫度的設(shè)定值代替上式中的，可得 = （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，非線性是很嚴重的，假若通過對它們采用線性化處理來設(shè)

7、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2.47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

8、）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，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)或純微分環(huán)節(jié)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

9、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 = （2.4-8）應(yīng)用不變性原理條

10、件 時，要求，代入（2.4-8）式，可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為 （2.4-9）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

11、力間的關(guān)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(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2.4-11 前饋串級控制系統(tǒng)方框圖 （2.4-10） 因為串級系統(tǒng)最佳設(shè)計則1，根據(jù)不變性原理當(dāng) 則 （2.4-12） 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)

12、參數(shù)影響大，工藝指標(biāo)要求嚴格工藝要求實現(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€一階或二階容量滯后，必要時再串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)來近似它。 （2.4-13） 超前滯后環(huán)節(jié) （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 (2.4-16)當(dāng)較小時， = （2.4-17） （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 （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： （2.4-20）式中，<1，< 過補償；>1，>