第五章2-前饋-反饋控制系統(tǒng)課件

前饋控制系統(tǒng)第5章5.2.1前饋控制系統(tǒng)提出

5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

5.2.3前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施過程

5.2.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用

5.2.5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定前饋控制系統(tǒng)第5章5.2.1前饋控制系統(tǒng)提出

5.15.2.1前饋控制系統(tǒng)的提出反饋控制系統(tǒng)：按偏差大小進(jìn)行控制。

共同點(diǎn)：對(duì)象受到干擾作用后，必須在被控量出現(xiàn)偏差時(shí)，控制器才產(chǎn)生控制作用以補(bǔ)償干擾對(duì)被控量的影響。缺點(diǎn)：無法將干擾克服在被控量偏離設(shè)定值之前。

原因：由于對(duì)象總是存在一定的純滯后和容量滯后，從干擾產(chǎn)生到被控量發(fā)生變化需要一定的時(shí)間；從偏差產(chǎn)生到控制器產(chǎn)生控制作用，以及操縱量改變到被控量發(fā)生變化需要時(shí)間。前饋控制系統(tǒng)：干擾發(fā)生后，被控量還未顯示出變化之前，控制器就產(chǎn)生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。特點(diǎn)：比反饋控制系統(tǒng)控制及時(shí)。5.2.1前饋控制系統(tǒng)的提出反饋控制系統(tǒng)：按偏差大小進(jìn)行控21.反饋控制的特點(diǎn)：1.反饋控制的特點(diǎn)：3開方器：流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中十分重要的參數(shù)，目前仍廣泛使用孔板測(cè)量流量，在這種測(cè)量方法中：差壓和流量的開方成正比；差壓變送器輸出的電流信號(hào)和差壓成正比。這樣只有對(duì)差壓變送器的輸出信號(hào)作開方運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果才和流量成正比。這有利于控制和顯示。開方器：流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中十分重要的參數(shù)，目前仍廣泛使用孔4①

表示擾動(dòng)將引起出口溫度的變化；②

表示前饋?zhàn)饔脤?duì)出口溫度的影響；③表示是補(bǔ)償后出口溫度的實(shí)際值。前饋控制實(shí)現(xiàn)了全補(bǔ)償擾動(dòng)。5.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)①表示擾動(dòng)將引起出口溫度的變化；5.2.1前饋控制系統(tǒng)5前饋控制的特點(diǎn)5.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制的特點(diǎn)5.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)6前饋控制與反饋控制的比較反饋控制前饋控制1控制的依據(jù)被控變量的偏差干擾量的大小2檢測(cè)的信號(hào)被控變量干擾量3控制作用發(fā)生的時(shí)間偏差出現(xiàn)后偏差出現(xiàn)前4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制開環(huán)控制5控制質(zhì)量有差控制無差控制6控制器通用PID專用控制器7經(jīng)濟(jì)性和可靠性一種系統(tǒng)可克服多種干擾對(duì)每一種都要有一個(gè)控制系統(tǒng)前饋控制與反饋控制的比較反饋控制前饋控制1控制的依據(jù)被控變量7前饋完全補(bǔ)償?shù)臈l件：Wm(s)為前饋控制器的傳遞函數(shù)；Wf(s)為過程擾動(dòng)通道傳遞函數(shù)；Wo(s)為過程控制通道傳遞函數(shù)；F(s)為擾動(dòng)；Y(s)為被控參數(shù)。前饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：5.2.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)若F(s)≠0,Y(s)=0,則前饋完全補(bǔ)償?shù)臈l件：Wm(s)為前饋控制器的傳遞函數(shù)；Wf(85.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋控制；動(dòng)態(tài)前饋控制；前饋-反饋控制；前饋-串級(jí)控制1.靜態(tài)前饋控制

所謂靜態(tài)前饋控制，是指前饋調(diào)節(jié)器的輸出量僅僅是其輸入量的函數(shù)．與時(shí)間因子無關(guān)。前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律具有比例特性，其大小可根據(jù)過程擾動(dòng)通道的靜態(tài)放大系數(shù)和過程控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)來決定。靜態(tài)前饋控制只考慮最終穩(wěn)態(tài)時(shí)的校正，所以只能使被控參數(shù)最終的靜態(tài)偏差接近或等于零，不考慮由于過程擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)和控制通道的時(shí)間常數(shù)不同，在過渡過程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差。例如：如圖所示，換熱器溫度控制系統(tǒng)中，主物料流量F與進(jìn)料量溫度θ為主要干擾，忽略熱損失。則熱量平衡式為：5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式靜態(tài)前饋控制；動(dòng)態(tài)前饋控制95.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式hs---蒸汽汽化潛熱；Fs---加熱蒸汽量；F、Cp---被加熱物料的量、定壓比熱容；T1、T2---被加熱物料的入、出口溫度。若物料入口溫度不變，擾動(dòng)管通道的放大系數(shù)：對(duì)象控制通道的放大系數(shù)：①被加熱物料擾動(dòng)引起出口溫度響應(yīng)；②前饋控制下加熱蒸汽變化引起的出口溫度響應(yīng)；③補(bǔ)償后的真實(shí)溫度曲線。誤差分析：由于對(duì)象干擾通道和調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性不同所引起的動(dòng)態(tài)偏差，這種偏差是靜態(tài)前饋控制無法避免的。5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式hs---蒸汽汽化潛熱；F105.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式2．動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)

靜態(tài)前饋控制存在問題：只能保證被控參數(shù)的靜態(tài)偏差接近或等于零，而不能保證被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差接近或等于零。

動(dòng)態(tài)前饋控制器設(shè)計(jì)思想：使干擾信號(hào)經(jīng)過前饋控制器至被控量通道的動(dòng)態(tài)特性，完全復(fù)制對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特性，使它們的符號(hào)相反，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行完全補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。

不僅保證了靜態(tài)偏差等于零或接近于零，而且又保證了動(dòng)態(tài)偏差等于零或接近于零。例如：對(duì)于換熱器，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋控制器。進(jìn)料量為干擾.

干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù)分別為：

5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式2．動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)11當(dāng)對(duì)干擾量完全補(bǔ)償時(shí)，有：若實(shí)際系統(tǒng)的，則動(dòng)態(tài)前饋控制器為如果，則

顯然，當(dāng)被控對(duì)象的控制通道和干擾通道的動(dòng)態(tài)特性完全相同時(shí)，動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器的補(bǔ)償作用相當(dāng)于一個(gè)靜態(tài)放大系統(tǒng)。實(shí)際上，靜態(tài)前饋控制是動(dòng)態(tài)前饋控制的一種特殊情況。當(dāng)對(duì)干擾量完全補(bǔ)償時(shí)，有：若實(shí)際系統(tǒng)的12

通常動(dòng)態(tài)前饋控制與靜態(tài)前饋控制是結(jié)合在一道使用的，可更好提高其控制品質(zhì)。但是動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)的運(yùn)行和參數(shù)整定亦較復(fù)雜，而且需要一套專用的控制裝置。所以，當(dāng)工藝要求控制品質(zhì)很高時(shí)，才使用動(dòng)態(tài)前饋控制方案。通常動(dòng)態(tài)前饋控制與靜態(tài)前饋控制是結(jié)合在一道使用的135.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式3．前饋-反饋控制系統(tǒng)

單純前饋控制的存在問題：(1)單純前饋不存在被控變量的反饋，補(bǔ)償效果沒有檢驗(yàn)的手段，前饋?zhàn)饔貌]有最后消除偏差時(shí)，系統(tǒng)無法得知這一信息而作進(jìn)一步的校正。(2)由于工業(yè)對(duì)象存在多個(gè)干擾，勢(shì)必要設(shè)置多個(gè)前饋控制通道，因而增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。(3)前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對(duì)象特性要受到負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)和控制通道的傳遞函數(shù)的變化。5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式3．前饋-反饋控制系統(tǒng)145.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

反饋控制：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地使被控量等于給定值；

前饋控制：在動(dòng)態(tài)時(shí)，依靠前饋控制能有效地減少被控量的動(dòng)態(tài)偏差，從而提高控制質(zhì)量。在過程控制中這是一種較理想的控制方案.3．前饋-反饋控制系統(tǒng)

下圖a為換熱器前饋—反饋控制系統(tǒng)，當(dāng)物料(生產(chǎn)負(fù)荷)發(fā)生變化時(shí)，前饋調(diào)節(jié)器及時(shí)發(fā)出控制命令，補(bǔ)償冷物料量變化對(duì)換熱器出口溫度的影響。同時(shí)對(duì)于未引入前饋的物料溫度、蒸汽壓力等擾動(dòng)對(duì)出口溫度的影響，則由PID反饋調(diào)節(jié)器來克服。前饋?zhàn)饔眉臃答佔(zhàn)饔?，使得換熱器的出口溫度較快地穩(wěn)定在給定值上，獲得更加理想的控制效果，圖b為前饋—反饋控制系統(tǒng)框圖。由圖可求得輸入x(s)、F(s)對(duì)輸出Y(s)的影響為前饋—反饋控制系統(tǒng)框圖5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式反饋控制：在穩(wěn)態(tài)時(shí)155.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式16前饋—反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：(1)由于增加了反饋回路，大大簡(jiǎn)化了原有前饋控制系統(tǒng)，只需對(duì)主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其它干擾可由反饋控制予以校正；(2)反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求，為工程上實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的通用模型創(chuàng)造了條件；(3)負(fù)荷變化時(shí)，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此具有一定自適應(yīng)能力。5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式前饋—反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：(1)由于增加了反饋回路，大大簡(jiǎn)175.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式前饋—反饋控制系統(tǒng)的局限性：(1)前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出相疊加后送至控制閥，這實(shí)際上將所要求的物料流量與加熱蒸氣流量對(duì)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?，?duì)控制閥提出了嚴(yán)格要求，希望它靈敏、線性及盡可能小的滯環(huán)區(qū)。(2)必須要求控制閥前后壓差恒定，否則無法實(shí)現(xiàn)精確的校正。為解決上述問題將前饋與串級(jí)相結(jié)合構(gòu)成前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)。5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式前饋—反饋控制系統(tǒng)的局限性185.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式4.前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)5.2.2前饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式4.前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)195.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式5.2.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式205.2.3前饋控制規(guī)律1.控制規(guī)律根據(jù)不變性原理，前饋調(diào)節(jié)器的特性由過程的擾動(dòng)通道和控制通道特性確定。從工業(yè)應(yīng)用來看，為力求設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修方便，使前饋調(diào)節(jié)器具有一定的通用性，多數(shù)化工過程和熱工過程，其特性可用一階或二階加純時(shí)延來近似描述。若過程控制通道的特性為5.2.3前饋控制規(guī)律1.控制規(guī)律215.2.3前饋控制規(guī)律5.2.3前饋控制規(guī)律22當(dāng)a>1，T1>T2,前饋補(bǔ)償器具有滯后性，適用于控制通道滯后小于干擾通道的場(chǎng)合；當(dāng)a<1，T1<T2,前饋補(bǔ)償器具有超前性，適用于控制通道滯后大于干擾通道的場(chǎng)合。++-當(dāng)a>1，T1>T2,前饋補(bǔ)償器具有滯后性，適用于控制通道23常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)時(shí)，由一個(gè)正微分器、反微分器及比值器串聯(lián)而成。正微分器的傳遞函數(shù)：反微分器的傳遞函數(shù)：比值器：則有：采用該種前饋模型的較少。

在DDZ-Ⅲ型儀表和組裝儀表中，上述前饋模型都有相應(yīng)的硬件模塊。為前饋-反饋控制的廣泛應(yīng)用提供了方便。常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)時(shí)，由一個(gè)正微分器、反微分器及比值器串聯(lián)而成。反243.數(shù)字儀表實(shí)施經(jīng)過整理可得前饋控制差分算式：Ts：采用周期。3.數(shù)字儀表實(shí)施經(jīng)過整理可得前饋控制差分算式：Ts：采用周期255.2.4前饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定5.2.4前饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定26第五章2-前饋-反饋控制系統(tǒng)ppt課件27第五章2-前饋-反饋控制系統(tǒng)ppt課件28第一種：前饋-反饋系統(tǒng)整定法在整定好閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，閉合開關(guān)S，得到閉合試驗(yàn)過程曲線。a)PID控制過程；b)Kf過小的欠補(bǔ)償過程；c)Kf較大的過補(bǔ)償過程；e)Kf合適的補(bǔ)償過程d)Kf過大的過補(bǔ)償過程；第一種：前饋-反饋系統(tǒng)整定法在整定好閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)29與a曲線相比，分析：

b曲線Kf太小，不能顯著的改變系統(tǒng)的質(zhì)量，為欠補(bǔ)償過程；

c、d曲線Kf大，雖然可以明顯的降低第一個(gè)峰值，但靜態(tài)前饋輸出過大，相當(dāng)于對(duì)反饋控制系統(tǒng)又施加了一個(gè)擾動(dòng)，造成下半周期的嚴(yán)重過調(diào)，致使過度過程長時(shí)間不能恢復(fù)。Kf過大時(shí)也會(huì)影響控制品質(zhì)。e曲線Kf合適：只有Kf取合適時(shí)，過程品質(zhì)才能得到顯著改善。由于有反饋控制存在，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)影響較小，應(yīng)用較廣泛。a)PID控制過程；b)Kf過小的欠補(bǔ)償過程；c)Kf較大的過補(bǔ)償過程；e)Kf合適的補(bǔ)償過程d)Kf過大的過補(bǔ)償過程；與a曲線相比，分析：a)PID控制過程；b)Kf過小的欠30整定過程需要注意兩點(diǎn)：1）反饋控制器必須具有積分作用，否則在干擾作用下無法消除被控變量的余差；2）要求工況穩(wěn)定，以免其他干擾的影響。第二種方法：利用反饋系數(shù)整定Kf。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，斷開S，繼續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則整定步驟如下：整定過程需要注意兩點(diǎn)：第二種方法：利用反饋系數(shù)整定Kf。313.T1、T2值整定動(dòng)態(tài)參數(shù)較靜態(tài)參數(shù)整定復(fù)雜得多，在事先未經(jīng)動(dòng)態(tài)測(cè)定求取這兩個(gè)時(shí)間常數(shù)時(shí)，至今尚無完整的工程整定法和定量計(jì)算公式，主要還是經(jīng)驗(yàn)的或定性的分析來確定。動(dòng)態(tài)參數(shù)T、T2值決定了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)某潭?。T1過小或T2過大時(shí)，產(chǎn)生欠補(bǔ)償現(xiàn)象，未能有效地發(fā)揮前饋補(bǔ)償?shù)墓δ?。Tl過大或T2過小時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生過補(bǔ)償現(xiàn)象，所得的控制過程甚至較純粹的反饋控制系統(tǒng)品質(zhì)還差。Tl、T2分別接近或等于對(duì)象控制通道和干擾通道的時(shí)間常數(shù)時(shí)，過程的控制品質(zhì)最佳，此時(shí)補(bǔ)償合適。3.T1、T2值整定T1過小或T2過大時(shí)，產(chǎn)生欠補(bǔ)償現(xiàn)象32過補(bǔ)償?shù)那梆伩刂葡到y(tǒng)，會(huì)破壞控制過程，甚至達(dá)到不能允許的地步。欠補(bǔ)償卻是尋求合理的前饋動(dòng)態(tài)參數(shù)的途徑。欠補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果總比反饋過程好一些，它傾向安全的一邊。因此在動(dòng)態(tài)參數(shù)的整定過程中，應(yīng)從欠補(bǔ)償開始，逐步強(qiáng)化前饋?zhàn)饔?，即增大T1或減小T2，直到出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)内厔?shì)，再略減弱前饋?zhàn)饔?，便可以獲得滿意的控制過程。首先確定T1、T2哪個(gè)參數(shù)大。根據(jù)下圖確定過程如下：a為純粹的反饋控制運(yùn)行的曲線，b、c為靜態(tài)的前饋—反饋控制的曲線。當(dāng)靜態(tài)前饋—反饋控制過程的超調(diào)方向與反饋控制相同時(shí)，表明干擾通道的滯后時(shí)間小于控制通道，則前饋動(dòng)態(tài)參數(shù)Tl>T2，如圖3—19中的b曲線。當(dāng)靜態(tài)前饋—反饋控制過程的超調(diào)方向與反饋控制相反時(shí)，表明系統(tǒng)分別在反饋控制下干擾擾通道的滯后時(shí)間大于控制通道，故前饋動(dòng)態(tài)參數(shù)TI<T2，即圖3—19中c曲線所示。過補(bǔ)償?shù)那梆伩刂葡到y(tǒng)，會(huì)破壞控制過程，甚至達(dá)到不能允許的地步33初次整定時(shí)，若T1＞T2（超前），取Tl=2T2；若Tl＜T2（滯后），取T=0.5T2。系統(tǒng)置于單純前饋控制下運(yùn)行施加階躍干擾，視被控變量的影響曲線，對(duì)Tl、T2值進(jìn)行調(diào)整，直至獲得滿意的數(shù)值。第一步：不加擾動(dòng)補(bǔ)償，觀察曲線；第二步：加擾動(dòng)，觀察