過程控制理論第五章

1、過程控制系統(tǒng)及工程第第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(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)5.2 前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結(jié)構(gòu)形式前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結(jié)構(gòu)形式5.3 前饋控制規(guī)律的實(shí)施前饋控制規(guī)律的實(shí)施5.4 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用5.5 前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定5.6 多變量前饋控制多變量前饋控制 實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第第5章章5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度用加熱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(jìn)行控制的

2、開環(huán)控制方式按干擾進(jìn)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TCFFs1按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對(duì)被控變量的影響按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對(duì)被控變量的影響-超前控制超前控制 換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測(cè)量，換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測(cè)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(duì)出口溫度的影響。量變化對(duì)出口溫度的影響。（b）前饋控制方案）前饋控制方案FFC5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)GffFFs15.1 前饋控制

3、系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1tF前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過程前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過程5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）按干擾作用的大小進(jìn)行控制）按干擾作用的大小進(jìn)行控制提前，控制及時(shí)提前，控制及時(shí) 控制的依據(jù)控制的依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)檢測(cè)的信號(hào) 控制作用的控制作用的 發(fā)生時(shí)間發(fā)生時(shí)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(xiàn)后偏差出現(xiàn)后偏差出現(xiàn)前偏差出現(xiàn)前5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（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)Gf

4、f(s)1F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(yàn)證，因此對(duì)控制器設(shè)計(jì)開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗(yàn)證，因此對(duì)控制器設(shè)計(jì) 的要求比較嚴(yán)格的要求比較嚴(yán)格對(duì)象對(duì)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(duì)象不算法，前饋控制算法依對(duì)象不同而不同。前饋控制器設(shè)計(jì)依據(jù)同而不同。前饋控制器設(shè)計(jì)依據(jù)“擾動(dòng)補(bǔ)償理論擾動(dòng)補(bǔ)償理論” 5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3） 是一種根據(jù)對(duì)象特性設(shè)計(jì)的是一種根據(jù)對(duì)象特性設(shè)計(jì)的“專用專用”控制器控制器 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F)()()(sGsGsGPCPDff缺點(diǎn)缺點(diǎn)5.2 前饋控制系統(tǒng)的

5、幾種主要結(jié)構(gòu)形式前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結(jié)構(gòu)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(dòng)態(tài)前饋控制動(dòng)態(tài)前饋控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償)()()(sGsGsGPCPDff 靜態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制 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）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）fffKsG)(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5-4 鍋爐汽包三沖量控制鍋爐汽包三沖量控制 FCLC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(duì)于較為簡(jiǎn)單的對(duì)象，可以寫出

6、靜態(tài)方程式對(duì)于較為簡(jiǎn)單的對(duì)象，可以寫出靜態(tài)方程式 GffFFs12)(21iSPShCFF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)(21iSPShCFF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FC1iF2Cp/hs開環(huán)不穩(wěn)定對(duì)象，要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)注意。開環(huán)不穩(wěn)定對(duì)象，要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)，為了提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上有時(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)適當(dāng)加入動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié) GffD.FS.F K1i2

7、FCp/hs單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問題：?jiǎn)渭兦梆伩刂埔⒁庀到y(tǒng)穩(wěn)定性問題： 開環(huán)通道穩(wěn)定，開環(huán)通道穩(wěn)定，F(xiàn)FC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(zhǎng)補(bǔ)短，形成前饋反饋、前饋取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成前饋反饋控制方案反饋控制方案（FFCFBC） 對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋控制對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋控制校正及時(shí)校正及時(shí) 對(duì)其它干擾進(jìn)行反饋控制對(duì)其它干擾進(jìn)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：?jiǎn)渭兦梆伩刂频木窒扌裕?（1）不能根據(jù)偏差進(jìn)行控制效果檢驗(yàn)（不能反饋）不能根據(jù)偏差進(jìn)行控制效果檢驗(yàn)（不能反饋）而不斷糾正偏差而不斷糾正偏差（2）受模型精度影響

8、）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)）一個(gè)前饋控制只能處理一個(gè)擾動(dòng)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) +GffTCFSF1 FFC按負(fù)荷按負(fù)荷F的變化校正蒸汽量的變化校正蒸汽量FsFBC根據(jù)溫度偏差，對(duì)蒸汽量根據(jù)溫度偏差，對(duì)蒸汽量Fs進(jìn)行進(jìn)一步校正。進(jìn)行進(jìn)一步校正。 FFC與與FBC作用疊加，又稱復(fù)合控制系統(tǒng)作用疊加，又稱復(fù)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)1i1F)()(1)()(sGsGsGsGPCCPCff)(

9、)(1sFs)()(1)(sGsGsGPCCPD)()()(sGsGsGPCPDffGPD(s)十Gff(s)GPC(s)0應(yīng)用不變性原理：應(yīng)用不變性原理： F(s)0，1(s)0代入上式中，即可推導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)：代入上式中，即可推導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)：FFCFBC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是相同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是相同的 FFC-FBCFFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：Gff +TCFCFSF 圖圖5-9 換熱器的前饋換熱器的前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng) )()()()(2sGsGsGsGPCpPDffGPD(s)Gff(s)GC(s)GPC(s)GC2(s)GP2(s)F1i1)

10、()(1)()()(22222sGsGsGsGsGpcpcp)()()(sGsGsGPCPDffseTsKsG1)(112sT-K+K+1211sf+-+ 輸入 輸出 1121sTsTsseffsf211211Kf K1/(T2s+1)輸入輸入+K=T1/T2-1輸出輸出圖5-12 （T1s+1）/（T2s+1）實(shí)施框圖) 1(1 )(1TtffeKtm=T1/T2 1l（輸出）（輸出）mfT1 T2 超前特性T1 T2 滯后特性T1 =T2 比例特性擾動(dòng)變量的選擇：擾動(dòng)變量的選擇：前饋控制是按擾動(dòng)控制的，因此，擾動(dòng)必須可測(cè)前饋控制是按擾動(dòng)控制的，因此，擾動(dòng)必須可測(cè)如果擾動(dòng)易控，可直接采用反饋

11、控制系統(tǒng)來控制；如果擾動(dòng)易控，可直接采用反饋控制系統(tǒng)來控制；前饋控制針對(duì)單一擾動(dòng)控制，因此，擾動(dòng)應(yīng)是主要擾動(dòng)。前饋控制針對(duì)單一擾動(dòng)控制，因此，擾動(dòng)應(yīng)是主要擾動(dòng)。為克服其他擾動(dòng)，通常采用前饋為克服其他擾動(dòng)，通常采用前饋-反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)。主要擾動(dòng)無法落在串級(jí)控制的副環(huán)時(shí)，用前饋主要擾動(dòng)無法落在串級(jí)控制的副環(huán)時(shí)，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(jí)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(shè)計(jì)錯(cuò)誤的串級(jí)控制系統(tǒng) TCFCFTCFC原料油燃油11)(21sTsTKsGfffK Kf f T