前饋控制資料課件

4.2

前饋控制系統(tǒng)1.4.2

前饋控制系統(tǒng)1.主要內(nèi)容基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能分析設(shè)計(jì)應(yīng)用2.主要內(nèi)容基本概念2.過程控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1、反饋控制系統(tǒng)2、前饋控制系統(tǒng)3、前饋-反饋控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念3.過程控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念3.控制器動(dòng)作補(bǔ)償擾動(dòng)影響被控過程受到擾動(dòng)產(chǎn)生偏差特點(diǎn)：單回路、串級控制反饋閉環(huán)控制反饋控制4.控制器動(dòng)作補(bǔ)償擾動(dòng)影響被控過程受到擾動(dòng)產(chǎn)生偏差特點(diǎn)：單回路、在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進(jìn)行控制。如果擾動(dòng)已進(jìn)入控制系統(tǒng)，而被控量尚未變化，控制器是不會(huì)產(chǎn)生校正作用的。由于偏差是在擾動(dòng)作用之后才產(chǎn)生的，故對于一些滯后（包括純滯后和容量滯后）較大的對象來說，控制作用往往不及時(shí)，使控制過程產(chǎn)生較大的偏差，且偏差持續(xù)時(shí)間也較長。當(dāng)工藝對控制質(zhì)量要求嚴(yán)格時(shí)，有些場合反饋控制便難以滿足要求。

雙容水箱液位控制

例：雙容水箱液位控制

5.在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進(jìn)行控前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時(shí)的一種方法，它是按引起被控量變化的擾動(dòng)大小進(jìn)行控制的。當(dāng)擾動(dòng)剛出現(xiàn)且能被測出時(shí)，控制器就能夠發(fā)出控制信號去克服這種擾動(dòng)，無須等待被控量的變化。因此，前饋控制對于克服擾動(dòng)的影響比反饋控制來得快。如果使用恰當(dāng)，控制質(zhì)量可獲得改善。這種按照擾動(dòng)產(chǎn)生校正作用的控制方法，通稱為前饋控制。前饋控制的基本原理：測取進(jìn)入過程的擾動(dòng)量(外界擾動(dòng)和設(shè)定值變化)，并按照其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變控制量。前饋控制的特點(diǎn)：按引起被控量變化的擾動(dòng)大小進(jìn)行控制，無須等待被控量的變化。6.前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時(shí)的一種方法，它例：換熱器溫度控制

方案一：

反饋控制FBC—用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度

滯后控制

7.例：換熱器溫度控制7.

前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對被控變量的影響。

方案二：8.前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補(bǔ)償由于進(jìn)料流量變化對出口溫度的影響。

超前控制擾動(dòng)作用前饋?zhàn)饔们梆伩刂葡到y(tǒng)的全補(bǔ)償過程

9.換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，一、反饋控制與前饋控制的特點(diǎn)(一)反饋控制的特點(diǎn)1)反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。2)無論擾動(dòng)發(fā)生在哪里，被控變量產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作。不及時(shí)。3)反饋控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)，存在一個(gè)穩(wěn)定性的問題。4)所有擾動(dòng)都包圍在閉環(huán)內(nèi)，可消除多種擾動(dòng)。5)反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)規(guī)律：P、PI、PD、PID。10.一、反饋控制與前饋控制的特點(diǎn)(一)反饋控制的特點(diǎn)10.(二)前饋控制的特點(diǎn)（1）前饋控制器是“基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對被控量的影響”，稱為擾動(dòng)補(bǔ)償。（2）按干擾作用的大小進(jìn)行控制——提前，控制及時(shí)。（3）前饋控制屬于開環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性的問題：開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗(yàn)證，因此對控制器設(shè)計(jì)的要求比較嚴(yán)格。（4）是一種根據(jù)對象特性設(shè)計(jì)的“專用”控制器。不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設(shè)計(jì)依據(jù)“擾動(dòng)補(bǔ)償理論”。（5）只對被前饋的可測不可控的主要擾動(dòng)有校正作用。其它擾動(dòng)無法控制，具有一定的局限性。11.(二)前饋控制的特點(diǎn)（1）前饋控制器是“基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動(dòng)量的大小擾動(dòng)量偏差出現(xiàn)前前饋與反饋的控制比較12.控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差被系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖13.系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(SGPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道完全補(bǔ)償條件：F（S）≠0而Y（S）=0GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)擾動(dòng)作用前饋?zhàn)饔?4.GPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道GPD(s)不變性原理(一)不變性的基本概念“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。被控過程f(t)y(t)干擾輸入下的系統(tǒng)f(t)：擾動(dòng)量，系統(tǒng)輸入?yún)?shù)y(t)：被控量，系統(tǒng)輸出參數(shù)當(dāng)f(t)≠0時(shí)，系統(tǒng)的不變性定義為：y(t)≡0即被控量y(t)與擾動(dòng)量f(t)無關(guān)15.不變性原理(一)不變性的基本概念被控過程f(t)y不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)量f(t)的作用下被控量y(t)在整個(gè)過渡過程中始終保持不變。2）誤差不變性：指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，或者說與絕對不變性存在一定誤差為ε的不變性，又稱為ε不變性。系統(tǒng)在擾動(dòng)量作用f(t)的作用下，被控量y(t)的偏差小于一個(gè)很小的ε。3)穩(wěn)態(tài)不變性：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，被控量y(t)與擾動(dòng)量f(t)無關(guān)。4）選擇不變性：系統(tǒng)采用了被控變量對其中幾個(gè)主要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)不變性，稱為選擇性不變性。

基于不變性原理組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)：按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。16.不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)量f(t)的作用下4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制

前饋控制作用表達(dá)式：mf＝f(D,t)mf是其輸入D（進(jìn)入控制器的擾動(dòng)量）和時(shí)間t的函數(shù)靜態(tài)前饋控制，是指控制器的輸出量僅是其輸入量的函數(shù)而與時(shí)間因子無關(guān)，簡化表達(dá)式：mf＝f(D)工程上近似表示為線性關(guān)系：Kf－前饋控制器的比例系數(shù)Δmf

－前饋控制器的輸出ΔD--輸入的變化量17.4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制前饋控制作用例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。18.例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。18解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o－T1i)＝F2H2(F1＋ΔF1)C1(T1o－T1i)＝(F2＋ΔF2)H2F1為主要擾動(dòng)，為保持出口溫度T1o不變，設(shè)冷流體增加為F1+ΔF1，需要載熱體相應(yīng)變化到F2+ΔF2，則由上式可得靜態(tài)前饋控制方程為：整理后得：Kf為比例常數(shù)ΔF2/ΔF1＝Kf

19.解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o

如果考慮次要的擾動(dòng)F2和T1i的變化，把冷流體出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值Tx，則由式可得靜態(tài)前饋控制方程：

前饋控制器控制方案：單元組合儀表實(shí)現(xiàn)換熱器靜態(tài)前饋控制方案

20.如果考慮次要的擾動(dòng)F2和T1i的變化，把

靜態(tài)前饋控制

1、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工況下的干擾補(bǔ)償（要求沒有動(dòng)態(tài)那么高）。有時(shí)，為了提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上適當(dāng)加入動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)2、適用于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式3、單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問題：開環(huán)通道穩(wěn)定，F(xiàn)FC穩(wěn)定；開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)注意。動(dòng)態(tài)前饋控制

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償21.靜態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制21.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)

單純前饋控制的局限性：

（1）不能根據(jù)偏差進(jìn)行控制效果檢驗(yàn)（不能反饋）而不斷糾正偏差（2）受模型精度影響GPD(s)、GPC(s)（3）一個(gè)前饋控制只能處理一個(gè)擾動(dòng)結(jié)合反饋、前饋的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，從而形成前饋—反饋控制方案（FFC—FBC）

對主要干擾進(jìn)行前饋控制——校正及時(shí)

對其它干擾進(jìn)行反饋控制——反饋校正，多干擾控制22.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)合反饋、前饋的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，從例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)FFC按負(fù)荷F的變化校正蒸汽量F2。FBC根據(jù)溫度偏差對蒸汽量F2進(jìn)行進(jìn)一步校正。FFC與FBC作用疊加。完全補(bǔ)償條件與單純FFC相同。

23.例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)23.FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：（1）FFC只需對主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其余干擾由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低（3）有模型變化的適應(yīng)能力24.FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：24.三、前饋—串級控制系統(tǒng)同樣對于前例的換熱器FFC-FBC系統(tǒng)，如果蒸汽流量不穩(wěn)定，無論FFC或FBC的效果都不能正常發(fā)揮。

解決辦法：串級控制前饋—串級控制系統(tǒng)，克服副回路蒸汽量F2的擾動(dòng)。前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)：25.三、前饋—串級控制系統(tǒng)25.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系統(tǒng)，其對象干擾通道的傳遞函為，調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)為，反饋調(diào)節(jié)器用PID規(guī)律，試設(shè)計(jì)前饋調(diào)節(jié)器，并畫出前饋一反饋控制系統(tǒng)的方框圖。例：26.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系答：前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是按照干擾作用的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，當(dāng)某一干擾出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器就對操縱變量進(jìn)行調(diào)整，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響。它調(diào)節(jié)及時(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋調(diào)節(jié)器是開環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，前饋調(diào)節(jié)規(guī)律不能用PID，它是一種特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律，適用于以下4種場合：1）滯后比較大的調(diào)節(jié)對象；2）時(shí)間常數(shù)很小的對象；3）非線性的調(diào)節(jié)對象；4）按計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)的對象。

27.答：前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是按照干擾作用的大由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖28.由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖28.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b)、(c)所示三種情況的方塊圖，并比較這三種控制方案的特點(diǎn)。29.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b

答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級控制系統(tǒng)。主變量為加熱爐出口溫度T，副變量為燃料油流量Q1引人副變量Q1的目的是為了及時(shí)克服由于燃料油壓力（流量）波動(dòng)對主變量T的影響，以提高主變量T的控制質(zhì)量。

30.答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級

圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油的出口溫度θ。綜合了前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)原油流量變化FC燃料油的加入量出口溫度的變化燃料量的加入量TC克服其它干擾克服主干擾31.圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油

圖c串級控制：？？？雙重控制：？？？前饋-反饋控制：？？？前饋-串級控制：？？？32.圖c串級控制：？？？32.

兩個(gè)調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級控制，但并沒有副回路，只有一個(gè)反饋回路，執(zhí)行器的輸出并不能改變原油的流量，所以不能認(rèn)為是一個(gè)串級控制系統(tǒng)。將(c)與(b)相比較，可知將圖(b)中的前饋調(diào)節(jié)器FC移到了控制回路內(nèi)，便成了圖(c)所表示的形式了。這時(shí)如將FC選擇為比例調(diào)節(jié)器，那么原油流量的變化仍能及時(shí)通過FC來改變?nèi)剂嫌偷牧髁?，起到了靜態(tài)前饋?zhàn)饔茫鳷C能根據(jù)被控變量θ的變化起到反饋?zhàn)饔?。圖c）是一種形似串級控制但實(shí)際上是一種前饋——反饋控制的非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式。33.兩個(gè)調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為F三者的比較串級控制雙重控制前饋-反饋控制34.三者的比較34.串級控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定信號雙重控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的測量信號前饋-反饋控制：一個(gè)控制的輸出與另一控制器的輸出信號疊加F1TCFCT10F2

串級控制雙重控制前饋-反饋控制35.串級控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定信號F1TC前饋一反饋控制與串級控制的比較F1TCFCT10F2

串級控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)36.前饋一反饋控制與串級控制的比較F1TCFCT10F2前饋一反饋控制與雙重控制的比較雙重控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)37.前饋一反饋控制與雙重控制的比較雙重控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)

前饋控制規(guī)律取決于對象干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù)

工業(yè)對象特性復(fù)雜，導(dǎo)致前饋控制規(guī)律種類繁多，不利于實(shí)施

工業(yè)應(yīng)用希望控制規(guī)律能具有一定的通用性，便于控制實(shí)施（特別是儀表）4.2.3前饋控制規(guī)律的實(shí)施38.4.2.3前饋控制規(guī)律的實(shí)施38.一般的工業(yè)對象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：GPD（S）、GPC（S）→GFF（S）一般控制儀表以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中都具有此類模塊39.一般的工業(yè)對象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：G什么情況下采用前饋控制：（1）對象滯后較大，反饋難以滿足要求，可把主要干擾進(jìn)行前饋控制（2）系統(tǒng)中存在可測、不可控的顯著干擾（3）工藝要求實(shí)現(xiàn)變量間特殊關(guān)系的控制4.2.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用40.4.2.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用40.靜態(tài)前饋還是動(dòng)態(tài)前饋

動(dòng)態(tài)前饋復(fù)雜，一般可用靜態(tài)前饋，特別是兩通道時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)。注意前饋控制和串級控制的區(qū)別前饋-反饋、串級控制都有兩個(gè)控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)上也有些相似，注意其區(qū)別

41.靜態(tài)前饋還是動(dòng)態(tài)前饋41.4.2.5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定

Kf、T1、T2的整定Kf的整定

開環(huán)整定法：斷開反饋通道，單純前饋控制，施加干擾，改變Kf，直到控制變量回到給定值

閉環(huán)整定法：閉環(huán)整定法系統(tǒng)方塊圖42.4.2.5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定T1T2的整定

T1T2屬于動(dòng)態(tài)參數(shù)的整定，比靜態(tài)參數(shù)的整定復(fù)雜，無完整的工程整定方法和計(jì)算公式?？辞€，調(diào)參數(shù)，反復(fù)試湊43.T1T2的整定43.定性分析：1）T1過小或T2過大，欠補(bǔ)償，未能有效發(fā)揮前饋的補(bǔ)償功能。2）T1過大或T2過小，過補(bǔ)償，控制品質(zhì)差。3）T1和T2接近對象控制通道和干擾通道時(shí)間常數(shù)時(shí)，控制品質(zhì)最佳，欠補(bǔ)償比過補(bǔ)償好些，安全，整定時(shí)，從欠補(bǔ)償開始調(diào)整。F1,T1i換熱器的前饋控制

FCΔmfF2T10前饋控制器載熱體換熱器冷流體F1ΔF1tT10tba

擾動(dòng)和補(bǔ)償曲線44.定性分析：F1,T1i換熱器的前饋控制F難點(diǎn)與重點(diǎn)掌握前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理掌握前饋與反饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)能對前饋-反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)45.難點(diǎn)與重點(diǎn)掌握前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理45.4.2

前饋控制系統(tǒng)46.4.2

前饋控制系統(tǒng)1.主要內(nèi)容基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能分析設(shè)計(jì)應(yīng)用47.主要內(nèi)容基本概念2.過程控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1、反饋控制系統(tǒng)2、前饋控制系統(tǒng)3、前饋-反饋控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念48.過程控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念3.控制器動(dòng)作補(bǔ)償擾動(dòng)影響被控過程受到擾動(dòng)產(chǎn)生偏差特點(diǎn)：單回路、串級控制反饋閉環(huán)控制反饋控制49.控制器動(dòng)作補(bǔ)償擾動(dòng)影響被控過程受到擾動(dòng)產(chǎn)生偏差特點(diǎn)：單回路、在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進(jìn)行控制。如果擾動(dòng)已進(jìn)入控制系統(tǒng)，而被控量尚未變化，控制器是不會(huì)產(chǎn)生校正作用的。由于偏差是在擾動(dòng)作用之后才產(chǎn)生的，故對于一些滯后（包括純滯后和容量滯后）較大的對象來說，控制作用往往不及時(shí)，使控制過程產(chǎn)生較大的偏差，且偏差持續(xù)時(shí)間也較長。當(dāng)工藝對控制質(zhì)量要求嚴(yán)格時(shí)，有些場合反饋控制便難以滿足要求。

雙容水箱液位控制

例：雙容水箱液位控制

50.在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進(jìn)行控前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時(shí)的一種方法，它是按引起被控量變化的擾動(dòng)大小進(jìn)行控制的。當(dāng)擾動(dòng)剛出現(xiàn)且能被測出時(shí)，控制器就能夠發(fā)出控制信號去克服這種擾動(dòng)，無須等待被控量的變化。因此，前饋控制對于克服擾動(dòng)的影響比反饋控制來得快。如果使用恰當(dāng)，控制質(zhì)量可獲得改善。這種按照擾動(dòng)產(chǎn)生校正作用的控制方法，通稱為前饋控制。前饋控制的基本原理：測取進(jìn)入過程的擾動(dòng)量(外界擾動(dòng)和設(shè)定值變化)，并按照其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變控制量。前饋控制的特點(diǎn)：按引起被控量變化的擾動(dòng)大小進(jìn)行控制，無須等待被控量的變化。51.前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時(shí)的一種方法，它例：換熱器溫度控制

方案一：

反饋控制FBC—用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度

滯后控制

52.例：換熱器溫度控制7.

前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對被控變量的影響。

方案二：53.前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補(bǔ)償由于進(jìn)料流量變化對出口溫度的影響。

超前控制擾動(dòng)作用前饋?zhàn)饔们梆伩刂葡到y(tǒng)的全補(bǔ)償過程

54.換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，一、反饋控制與前饋控制的特點(diǎn)(一)反饋控制的特點(diǎn)1)反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。2)無論擾動(dòng)發(fā)生在哪里，被控變量產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作。不及時(shí)。3)反饋控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)，存在一個(gè)穩(wěn)定性的問題。4)所有擾動(dòng)都包圍在閉環(huán)內(nèi)，可消除多種擾動(dòng)。5)反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)規(guī)律：P、PI、PD、PID。55.一、反饋控制與前饋控制的特點(diǎn)(一)反饋控制的特點(diǎn)10.(二)前饋控制的特點(diǎn)（1）前饋控制器是“基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)對被控量的影響”，稱為擾動(dòng)補(bǔ)償。（2）按干擾作用的大小進(jìn)行控制——提前，控制及時(shí)。（3）前饋控制屬于開環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性的問題：開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗(yàn)證，因此對控制器設(shè)計(jì)的要求比較嚴(yán)格。（4）是一種根據(jù)對象特性設(shè)計(jì)的“專用”控制器。不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設(shè)計(jì)依據(jù)“擾動(dòng)補(bǔ)償理論”。（5）只對被前饋的可測不可控的主要擾動(dòng)有校正作用。其它擾動(dòng)無法控制，具有一定的局限性。56.(二)前饋控制的特點(diǎn)（1）前饋控制器是“基于擾動(dòng)來消除擾動(dòng)控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動(dòng)量的大小擾動(dòng)量偏差出現(xiàn)前前饋與反饋的控制比較57.控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差被系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖58.系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(SGPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道完全補(bǔ)償條件：F（S）≠0而Y（S）=0GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)擾動(dòng)作用前饋?zhàn)饔?9.GPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道GPD(s)不變性原理(一)不變性的基本概念“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。被控過程f(t)y(t)干擾輸入下的系統(tǒng)f(t)：擾動(dòng)量，系統(tǒng)輸入?yún)?shù)y(t)：被控量，系統(tǒng)輸出參數(shù)當(dāng)f(t)≠0時(shí)，系統(tǒng)的不變性定義為：y(t)≡0即被控量y(t)與擾動(dòng)量f(t)無關(guān)60.不變性原理(一)不變性的基本概念被控過程f(t)y不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)量f(t)的作用下被控量y(t)在整個(gè)過渡過程中始終保持不變。2）誤差不變性：指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，或者說與絕對不變性存在一定誤差為ε的不變性，又稱為ε不變性。系統(tǒng)在擾動(dòng)量作用f(t)的作用下，被控量y(t)的偏差小于一個(gè)很小的ε。3)穩(wěn)態(tài)不變性：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，被控量y(t)與擾動(dòng)量f(t)無關(guān)。4）選擇不變性：系統(tǒng)采用了被控變量對其中幾個(gè)主要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)不變性，稱為選擇性不變性。

基于不變性原理組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)：按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。61.不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)量f(t)的作用下4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制

前饋控制作用表達(dá)式：mf＝f(D,t)mf是其輸入D（進(jìn)入控制器的擾動(dòng)量）和時(shí)間t的函數(shù)靜態(tài)前饋控制，是指控制器的輸出量僅是其輸入量的函數(shù)而與時(shí)間因子無關(guān)，簡化表達(dá)式：mf＝f(D)工程上近似表示為線性關(guān)系：Kf－前饋控制器的比例系數(shù)Δmf

－前饋控制器的輸出ΔD--輸入的變化量62.4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制前饋控制作用例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。63.例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。18解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o－T1i)＝F2H2(F1＋ΔF1)C1(T1o－T1i)＝(F2＋ΔF2)H2F1為主要擾動(dòng)，為保持出口溫度T1o不變，設(shè)冷流體增加為F1+ΔF1，需要載熱體相應(yīng)變化到F2+ΔF2，則由上式可得靜態(tài)前饋控制方程為：整理后得：Kf為比例常數(shù)ΔF2/ΔF1＝Kf

64.解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o

如果考慮次要的擾動(dòng)F2和T1i的變化，把冷流體出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值Tx，則由式可得靜態(tài)前饋控制方程：

前饋控制器控制方案：單元組合儀表實(shí)現(xiàn)換熱器靜態(tài)前饋控制方案

65.如果考慮次要的擾動(dòng)F2和T1i的變化，把

靜態(tài)前饋控制

1、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工況下的干擾補(bǔ)償（要求沒有動(dòng)態(tài)那么高）。有時(shí)，為了提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上適當(dāng)加入動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)2、適用于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式3、單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問題：開環(huán)通道穩(wěn)定，F(xiàn)FC穩(wěn)定；開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)注意。動(dòng)態(tài)前饋控制

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償66.靜態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制21.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)

單純前饋控制的局限性：

（1）不能根據(jù)偏差進(jìn)行控制效果檢驗(yàn)（不能反饋）而不斷糾正偏差（2）受模型精度影響GPD(s)、GPC(s)（3）一個(gè)前饋控制只能處理一個(gè)擾動(dòng)結(jié)合反饋、前饋的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，從而形成前饋—反饋控制方案（FFC—FBC）

對主要干擾進(jìn)行前饋控制——校正及時(shí)

對其它干擾進(jìn)行反饋控制——反饋校正，多干擾控制67.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)合反饋、前饋的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，從例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)FFC按負(fù)荷F的變化校正蒸汽量F2。FBC根據(jù)溫度偏差對蒸汽量F2進(jìn)行進(jìn)一步校正。FFC與FBC作用疊加。完全補(bǔ)償條件與單純FFC相同。

68.例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)23.FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：（1）FFC只需對主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其余干擾由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低（3）有模型變化的適應(yīng)能力69.FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：24.三、前饋—串級控制系統(tǒng)同樣對于前例的換熱器FFC-FBC系統(tǒng)，如果蒸汽流量不穩(wěn)定，無論FFC或FBC的效果都不能正常發(fā)揮。

解決辦法：串級控制前饋—串級控制系統(tǒng)，克服副回路蒸汽量F2的擾動(dòng)。前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)：70.三、前饋—串級控制系統(tǒng)25.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系統(tǒng)，其對象干擾通道的傳遞函為，調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)為，反饋調(diào)節(jié)器用PID規(guī)律，試設(shè)計(jì)前饋調(diào)節(jié)器，并畫出前饋一反饋控制系統(tǒng)的方框圖。例：71.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系答：前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是按照干擾作用的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，當(dāng)某一干擾出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器就對操縱變量進(jìn)行調(diào)整，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響。它調(diào)節(jié)及時(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋調(diào)節(jié)器是開環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，前饋調(diào)節(jié)規(guī)律不能用PID，它是一種特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律，適用于以下4種場合：1）滯后比較大的調(diào)節(jié)對象；2）時(shí)間常數(shù)很小的對象；3）非線性的調(diào)節(jié)對象；4）按計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)的對象。

72.答：前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是按照干擾作用的大由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖73.由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖28.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b)、(c)所示三種情況的方塊圖，并比較這三種控制方案的特點(diǎn)。74.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b

答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級控制系統(tǒng)。主變量為加熱爐出口溫度T，副變量為燃料油流量Q1引人副變量Q1的目的是為了及時(shí)克服由于燃料油壓力（流量）波動(dòng)對主變量T的影響，以提高主變量T的控制質(zhì)量。

75.答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級

圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油的出口溫度θ。綜合了前饋與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)原油流量變化FC燃料油的加入量出口溫度的變化燃料量的加入量TC克服其它干擾克服主干擾76.圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油

圖c串級控制：？？？雙重控制：？？？前饋-反饋控制：？？？前饋-串級控制：？？？77.圖c串級控制：？？？32.

兩個(gè)調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級控制，但并沒有副回路，只有一個(gè)反饋回路，執(zhí)行器的輸出并不能改變原油的流量，所以不能認(rèn)為是一個(gè)串級控制系統(tǒng)。將(c)與(b)相比較，可知將圖(b)中的前饋調(diào)節(jié)器FC移到了控制回路內(nèi)，便成了圖(c)所表示的形式了。這時(shí)如將FC選擇為比例調(diào)節(jié)器，那么原油流量的變化仍能及時(shí)通過FC來改變?nèi)剂嫌偷牧髁浚鸬搅遂o態(tài)前饋?zhàn)饔?，而TC能根據(jù)被控變量θ的變化起到反饋?zhàn)饔谩Dc）是一種形似串級控制但實(shí)際上是一種前饋——反饋控制的非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式。78.兩個(gè)調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為F三者的比較串級控制雙重控制前饋-反饋控制79.三者的比較34.串級控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定信號雙重控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的測量信號前饋-反饋控制：一個(gè)控制的輸出與另一控制器的輸出信號疊加F1TCFCT10F2