前饋控制系統(tǒng)的基本原理

1、前饋控制系統(tǒng)的基本原理前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)的基本原理前饋控制的基本概念是測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的干擾(包括外界干擾和設(shè)定值變化)，并按其信號(hào)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Q，則可組成圖2.4-2前Gs為操縱變量圖2.4-2 前饋控制圖2.4-1反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：Gpd(S) Gff(S)Gpc(S) Q(S)(2.4-1)式中Gpd (s)、Gpc (s)分別表示對(duì)象干擾道和控制通道的傳遞函數(shù)； Gff(s)為前饋控圖2.4-3前饋控制方塊

2、圖制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)Q實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)臈l件是：木Q51(2.4-2 )Q（s） 0 時(shí)，要求（s） 0 將（1-2 ）式代入（1-1 ）式，可得這種全補(bǔ)償過(guò)程。在Q階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用c和干擾作用d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(dá)到 圖2.4-4前饋控制全補(bǔ)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?yàn)榉答伩刂剖前幢豢刈兞康钠?差動(dòng)作的。在干擾作用下，受控變量總要經(jīng)歷一個(gè)偏離設(shè)定值的過(guò)渡 過(guò)程。前饋控制的另一突出優(yōu)點(diǎn)是，本身不形成閉合反饋回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。 由

3、以上反饋控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)方塊圖可知：1.前饋控制與反饋控制的比較2.4-6前饋控制方塊圖流量1）前饋是“開(kāi)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(diǎn)，沿信號(hào)線方向前行，可以回到出發(fā) 點(diǎn)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(diǎn)，沿信號(hào)線方向前行，不能回到出發(fā)點(diǎn)，不能形成 閉合環(huán)路，因此稱其為“開(kāi)環(huán)”控制系統(tǒng)。2）前饋系統(tǒng)中測(cè)量干擾量，反饋系統(tǒng)中測(cè)量被控變量在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測(cè)量被控變量，而單純的反饋控制 系統(tǒng)中不測(cè)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)器由于前

4、饋控制的精確性和及時(shí)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(dòng)， 因此，可采用通用調(diào)節(jié)器。4）前饋只能克服所測(cè)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(cè)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(wú)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(gè)測(cè)量干擾，加以 克服，理論上可以做到被控變量無(wú)差。 而反饋控制系統(tǒng)，無(wú)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

5、 能知道有了干擾，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(gè)通道的動(dòng)態(tài)情況，是一種動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器。它追求的目標(biāo)是受控變量的完全不變性。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)并沒(méi)有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。令（1-3 ）式中的S為0,即可得靜態(tài)前饋控制算式：Gf(0)Gpd (0)Gpc(0)（244 ）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(guò)程，假若忽略熱損失，其熱平衡關(guān)系 可表述為：QC p(0 i ) GsHs（2.4-5 ）式中Cp物料比熱H s 蒸汽汽化潛

6、熱Q物料量流量Gs 載熱體（蒸汽）流量換熱器入口溫度0換熱器出口溫度由(2.4-5 )式可解得:Gs Q?( o i)H s(2.4-6 )用物料出口溫度的設(shè)定值io代替上式中的°，可得CPGs=Q - (io i )H S(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(duì)物料 的進(jìn)口溫度、流量和出口溫度設(shè)定值作出靜態(tài)前饋補(bǔ)償。由于在(2.4-7 )式中，Q與(B li - 0 2)是相乘關(guān)系，所以這是一個(gè)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

7、，假若(2.4-5 )式是對(duì)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(shí)現(xiàn)靜態(tài)的全補(bǔ)償。對(duì)變量間存在相乘(或相除)關(guān)系的過(guò)程，非線性是很?chē)?yán)重的，假若通過(guò)對(duì)它們 采用線性化處理來(lái)設(shè)計(jì)線性的前饋控制器，則當(dāng)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)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(jì)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(jì)算常以非線性面目出現(xiàn)。 從采用前饋控制的必 要性來(lái)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(duì)象一般有多重滯 后，僅采用反饋調(diào)節(jié)，質(zhì)量還會(huì)不和要求。增

8、加前饋補(bǔ)償是改進(jìn)控制 的一條可行途徑。對(duì)溫度和成分控制應(yīng)考慮采用非線性運(yùn)算和動(dòng)態(tài)補(bǔ) 償。圖2.4 7中的前饋補(bǔ)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(bǔ)償算式（2.4-7 ）式的要求進(jìn)行精確跟蹤。2. 前饋一反饋控制系統(tǒng)在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)受控變量的不變性，但在工程實(shí)踐 中，由于下列原因，前饋控制系統(tǒng)依然會(huì)存在偏差。1）實(shí)際的工業(yè)對(duì)象會(huì)存在多個(gè)擾動(dòng)， 若均設(shè)置前饋通道，勢(shì)必增 加控制系統(tǒng)投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。因而一般僅選擇幾個(gè)主要干擾作 前饋通道。這樣設(shè)計(jì)的前饋控制器對(duì)其它干擾是絲毫沒(méi)有校正作用的。2）受前饋控制模型精度限制。3）用儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)

9、前饋控制算式時(shí)，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) es或純微分環(huán)節(jié)仃ds 1） 時(shí)，它們?cè)谖锢砩鲜遣荒軐?shí)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)前饋控制系統(tǒng)中，不存在受控變量的反饋，也即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч?沒(méi)有檢驗(yàn)的手段。因此，如果控制的結(jié)果無(wú)法消除受控變量的偏差， 系統(tǒng)也無(wú)法獲得這一信息而作進(jìn)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(lái)應(yīng)用，構(gòu)成前饋一反饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋 控制能克服多種擾動(dòng)及對(duì)受控變量最終檢驗(yàn)的長(zhǎng)處，是一種適合化工

10、 過(guò)程控制、較有發(fā)展前途的控制方法。換熱器的前饋一一反饋控制系 統(tǒng)及其方塊圖分別表示在圖2.4-8和圖2.4-9。Gf址)漏闇牛L Gc料3抵紹 +丈 7圖2.4-8換熱器的前饋一反饋控制系統(tǒng)圖2.4-9前饋一反饋控制系統(tǒng)方塊圖圖2.4-9所示前饋一反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為o(s)=Gpd (s)Gf (s)Gpc(s)Q (s)1 Gc (s)Gpc (s)1 Gc (s)Gpc (s)(2.4-8)應(yīng)用不變性原理?xiàng)l件Q(s) 0時(shí)，要求o(s) 0，代入(2.4-8)式，可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為Gff (s)Gpd (s)GPC (s)（2.4-9 ）比較（2.4-9 ）式和（2.4-

11、3 ）式可知，前饋一反饋控制與純前饋控制 實(shí)現(xiàn)“全補(bǔ)償”的算式是相同的。前饋一反饋系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn)：從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型 的精度要求，并能對(duì)未選作前饋信號(hào)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(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào) 作用，大大減小了控制的負(fù)擔(dān)。3. 前饋一串級(jí)控制系統(tǒng)分析圖2.4-6換熱器的前饋一反饋控制系統(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(shí)際上是將所要求的物料量F與加熱蒸汽量Fs的對(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)格的要求，希望它靈敏、線性及盡

12、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(duì)應(yīng)不同的蒸汽流 量，這就無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題，工程上將在 原有的反饋控制回路中再增設(shè)一個(gè)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前饋一串級(jí)控制系統(tǒng)CQ(s)Gff(s)GC2 (S)Gpc2 (s)1 GC2 (S)G PC2 (s)(S)1 Gci(s)Gpci(s)iG；f(s)G；C2(s)1 GC2 (s)GPC2 (s)Gpd (s)1 G (s)G (s) GC2 (s)GPC2 (s)1 GC1 (s)GPC1 (s)-1GC

13、2 (s)GPC2 (s)(2410 )因?yàn)榇?jí)系統(tǒng)最佳設(shè)計(jì)Gc2(S)Gpc2 (s)11 Gc2(s)Gpc2(s)根據(jù)不變性原理當(dāng)Q(s) 0, (s) 0Gff(s)Gpd (s)Gpc (s)丄10圖 2.4-11前饋一串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖前饋控制規(guī)律的實(shí)施1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)可測(cè)不可控的干擾，變化幅度大，且對(duì)被調(diào)參數(shù)影響大，工藝 指標(biāo)要求嚴(yán)格工藝要求實(shí)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(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)2. 前饋補(bǔ)償裝置的控制算法通過(guò)對(duì)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(duì)象干擾通道與控制通道的特性。由于工業(yè)對(duì)象 的特性極為復(fù)雜，這就導(dǎo)致了前饋控制規(guī)律

14、的形式繁多， 但從工業(yè)應(yīng) 用的觀點(diǎn)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(jì)、運(yùn)行和維護(hù)。實(shí)踐證明， 相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對(duì)象都具有非周期性與過(guò)阻尼的特性，因此經(jīng)?？捎?一個(gè)一階或二階容量滯后，必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似它。Gf(S)TpS 1LiTfS 1(2413 )超前滯后環(huán)節(jié)輸出KTfS+l+存1K需(2.4-14)K 1Tf(2.4-15)圖 2.4-13超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖純滯后補(bǔ)償e fS1SfS(2.4-16)當(dāng)f較小時(shí)，fS efse2f1S(2417)Gff(S)TpS 1edS 1L1(2.4-18)上式所示為帶有純滯后的“超前一滯后”前饋控制規(guī)律，其純滯后環(huán)節(jié)按1 Se fS2 1 fS12（2.4-19 ）近似展開(kāi)。此種“超前一滯后”前饋補(bǔ)償模型，已成為目前廣泛應(yīng)用的一種動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)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