過程控制工程(孫洪程版)第五章 前饋控制系統(tǒng)

1、過程控制系統(tǒng)及工程 信息學院自動化系：孫洪程信息學院自動化系：孫洪程 Email:S 第第5 5章章 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng) 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 5.2 前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結構形式前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結構形式 5.3 前饋控制規(guī)律的實施前饋控制規(guī)律的實施 5.4 前饋控制系統(tǒng)的應用前饋控制系統(tǒng)的應用 5.5 前饋控制系統(tǒng)的參數整定前饋控制系統(tǒng)的參數整定 5.6 多變量前饋控制多變量前饋控制 實驗：前饋控制系統(tǒng)實驗實驗：前饋控制系統(tǒng)實驗 第第5章章 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度用加熱

2、載體的流量控制被加熱流體的溫度-滯后控制滯后控制 前饋控制前饋控制-按干擾進行控制的開環(huán)控制方式按干擾進行控制的開環(huán)控制方式 (a) 反饋控制方案反饋控制方案 FBC 例子：例子：換熱器溫度控制換熱器溫度控制 T C F Fs 1 按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響-超前控制超前控制 換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，換熱器進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，即用蒸汽變化補償由于進料流通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補償由于進料流 量變化對出口溫度的影響。量變化對出口溫度的影響。 （b）

3、前饋控制方案）前饋控制方案FFC 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 Gff F Fs 1 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 1 t F 前饋控制系統(tǒng)的補償過程前饋控制系統(tǒng)的補償過程 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 （1）按干擾作用的大小進行控制按干擾作用的大小進行控制提前，控制及時提前，控制及時 控制的依據控制的依據檢測的信號檢測的信號 控制作用的控制作用的 發(fā)生時間發(fā)生時間 反饋控制反饋控制 前饋控制前饋控制 被控變量的偏差被控變量的偏差 干擾量的大小干擾量的大小 被控變量被控變量 干擾量干擾量 偏差出現后偏差出現后

4、 偏差出現前偏差出現前 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 （2） 前饋控制屬于開環(huán)控制前饋控制屬于開環(huán)控制 GPD(s) GPC(s)Gff(s) 1 F 圖圖5-3 系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)方塊圖 開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設計開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設計 的要求比較嚴格的要求比較嚴格 對象對象 不象反饋控制通用不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不算法，前饋控制算法依對象不 同而不同。前饋控制器設計依據同而不同。前饋控制器設計依據“擾動補償理論擾動補償理論” 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點前饋控制系統(tǒng)的特點 （3） 是一種根據對象特性設

5、計的是一種根據對象特性設計的“專用專用”控制器控制器 GPD(s) GPC(s)Gff(s) 1 F )( )( )( sG sG sG PC PD ff 缺點缺點 5.2 前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結構形式前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結構形式 單純的前饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1 動態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制 實現動態(tài)干擾補償實現動態(tài)干擾補償 ( ) ( ) ( ) PD ff PC Gs Gs Gs 靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制 實現穩(wěn)定工況下的干擾補償（要求沒有動態(tài)那么高）實現穩(wěn)定工況下的干擾補償（要求沒有動態(tài)那么高） ( ) fff GsK 單純的前饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1 圖圖

6、5-4 鍋爐汽包三沖量控制鍋爐汽包三沖量控制 FC LC 蒸汽量蒸汽量 D 液位液位 L 流量流量 F 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 例子例子1： 給水給水 蒸汽蒸汽 單純的前饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1 對于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式對于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式 Gff F Fs 1 2 12 () P Si S C FF h 例子例子2： Cp - 比熱比熱 hs - 蒸汽的蒸汽的 汽化潛熱汽化潛熱 單純的前饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1 12 () P Si S C FF h 圖圖5-5 換熱器的靜態(tài)前饋控制流程原理圖換熱器的靜態(tài)前饋控制流程原理圖

7、 FC 1i F 2 Cp/hs 開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設計時注意。開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設計時注意。 單純的前饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1 有時，為了提高動態(tài)品質，可在靜態(tài)前饋基礎上有時，為了提高動態(tài)品質，可在靜態(tài)前饋基礎上 適當加入動態(tài)環(huán)節(jié)適當加入動態(tài)環(huán)節(jié) Gff D.F S.F K 1i 2 F Cp/hs 單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問題：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，開環(huán)通道穩(wěn)定，FFC穩(wěn)定；穩(wěn)定； 前饋前饋-反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)5.2.2 反饋、前饋取長補短，形成前饋反饋、前饋取長補短，形成前饋反饋控制方案反饋控制方案 （FFCFBC） 對

8、主要干擾進行前饋控制對主要干擾進行前饋控制校正及時校正及時 對其它干擾進行反饋控制對其它干擾進行反饋控制反饋校正，多干擾控制反饋校正，多干擾控制 單純前饋控制的局限性：單純前饋控制的局限性： （1）不能根據偏差進行控制效果檢驗（不能反饋）不能根據偏差進行控制效果檢驗（不能反饋） 而不斷糾正偏差而不斷糾正偏差 （2）受模型精度影響）受模型精度影響GPD(s)、GPC(s) （3）一個前饋控制只能處理一個擾動）一個前饋控制只能處理一個擾動 前饋前饋-反饋控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)5.2.2 圖圖5-7 5-7 換熱器換熱器FFC-FBCFFC-FBC系統(tǒng)系統(tǒng) + GffTC FS F 1 FFC按負荷按

9、負荷F的變化校正蒸汽量的變化校正蒸汽量Fs FBC根據溫度偏差，對蒸汽量根據溫度偏差，對蒸汽量Fs進行進一步校正。進行進一步校正。 FFC與與FBC作用疊加，又稱復合控制系統(tǒng)作用疊加，又稱復合控制系統(tǒng)。 圖58 典型FFCFBC系統(tǒng)方塊圖 GPD (s) GC(s) GPC(s) Gff(s) 1i 1 F ( )( ) 1( )( ) ffPC CPC Gs Gs Gs Gs 1( ) ( ) s F s ( ) 1( )( ) PD CPC Gs Gs Gs )( )( )( sG sG sG PC PD ff GPD(s)十Gff(s)GPC(s)0 應用不變性原理：應用不變性原理： F

10、(s)0，1(s)0 代入上式中，即可推導出前饋控制器的傳遞函數：代入上式中，即可推導出前饋控制器的傳遞函數： FFCFBC系統(tǒng)實現完全補償的條件是相同的系統(tǒng)實現完全補償的條件是相同的 FFC-FBCFFC-FBC優(yōu)點：優(yōu)點： Gff + TC FC FS F 圖圖5-9 換熱器的前饋換熱器的前饋-串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 2 ( ) ( ) ( )( ) PD ff pPC Gs Gs Gs Gs GPD(s)Gff(s) GC(s) GPC(s)GC2(s)GP2(s) F 1i 1 22 2 22 ( )( ) ( ) 1( )( ) cp p cp Gs Gs Gs Gs Gs )(

11、)( )( sG sG sG PC PD ff s e Ts K sG 1 )( 2 1 1T s -K +K + 1 1 1 2 fs + - + 輸入 輸出 1 2 1 1 Ts T s 1 1 2 1 1 2 f f s f s e s Kf K 1/(T2s+1) 輸入輸入 + + K=T1/T2-1 輸出輸出 圖5-12 （T1s+1）/（T2s+1）實施框圖 1 ( )1(1) t T ff mtKe =T1/T2 1 l （輸出）（輸出） mf T1 T2 超前特性 T1 T2 滯后特性 T1 =T2 比例特性 擾動變量的選擇：擾動變量的選擇： 前饋控制是按擾動控制的，因此，擾動

12、必須可測前饋控制是按擾動控制的，因此，擾動必須可測 如果擾動易控，可直接采用反饋控制系統(tǒng)來控制；如果擾動易控，可直接采用反饋控制系統(tǒng)來控制； 前饋控制針對單一擾動控制，因此，擾動應是主要擾動。前饋控制針對單一擾動控制，因此，擾動應是主要擾動。 為克服其他擾動，通常采用前饋為克服其他擾動，通常采用前饋-反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)。 主要擾動無法落在串級控制的副環(huán)時，用前饋主要擾動無法落在串級控制的副環(huán)時，用前饋-反饋，可反饋，可 得到更好的控制效果。得到更好的控制效果。 T2CT1CGff + TC 燃油 燃油 原料油 原料油 (a)串級控制系統(tǒng) (b)前饋反饋控制系統(tǒng) 圖514 加熱爐的兩種控制系統(tǒng) 圖5l 5 設計錯誤的串級控制系統(tǒng) TCFC F TC FC 原料油 燃油 1 1 )( 2 1 sT sT KsG fff K Kf f T T1 1 T T2 2