前饋控制系統(tǒng)的基本原理

1、前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的根本原理前饋控制的根本概念是測取進入過程的干擾包括外界干擾和設(shè)定值變化，并按其信號產(chǎn)生適宜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，選用反應(yīng)控制系統(tǒng)。假設(shè)考慮干擾僅是物料流量，那么可組成圖2.4-2前饋控制方案。方案中選擇加熱蒸汽量為操縱變量。 圖2.4-1 反應(yīng)控制 圖2.4-2 前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： 2.4-1 式中、分別表示對象干擾道和控制通道的傳遞函數(shù)；為前饋控 圖2.4-3 前饋控制方塊圖制器的傳遞函數(shù)。 系統(tǒng)對擾動實現(xiàn)全補償?shù)臈l件是：時，要求 2.4-2將1-2式

2、代入1-1式，可得 = 2.4-3 滿足1-3式的前饋補償裝置使受控變量不受擾動量變化的影響。圖2-4-4表示了這種全補償過程。在階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用和干擾作用的響應(yīng)曲線方向相反，幅值相同。所以它們的合成結(jié)果，可使到達 圖2.4-4 前饋控制全補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，反應(yīng)控制系統(tǒng)是做不到的。這是因為反應(yīng)控制是按被控變量的偏差動作的。在干擾作用下，受控變量總要經(jīng)歷一個偏離設(shè)定值的過渡過程。前饋控制的另一突出優(yōu)點是，本身不形成閉合反應(yīng)回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。1前饋控制與反應(yīng)控制的比擬 圖2.4-5 反應(yīng)控制方

3、塊圖 圖2.4-6 前饋控制方塊圖由以上反應(yīng)控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)方塊圖可知：1)前饋是“開環(huán)，反應(yīng)是“閉環(huán)控制系統(tǒng) 從圖上可以看到，外表上，兩種控制系統(tǒng)都形成了環(huán)路，但反應(yīng)控制系統(tǒng)中，在環(huán)路上的任一點，沿信號線方向前行，可以回到出發(fā)點形成閉合回路，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，沿信號線方向前行，不能回到出發(fā)點，不能形成閉合環(huán)路，因此稱其為“開環(huán)控制系統(tǒng) 。2)前饋系統(tǒng)中測量干擾量，反應(yīng)系統(tǒng)中測量被控變量 在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測量被控變量，而單純的反應(yīng)控制系統(tǒng)中不測量干擾量。3)前饋需要專用調(diào)節(jié)器，反應(yīng)一般只要用通用調(diào)節(jié)器由于前饋控制的精確性和及時性取決于干

4、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，而反應(yīng)根本上不管干擾通道的特性，且允許被控變量有波動，因此，可采用通用調(diào)節(jié)器。4)前饋只能克服所測量的干擾，反應(yīng)那么可克服所有干擾前饋控制系統(tǒng)中假設(shè)干擾量不可測量，前饋就不可能加以克服。而反應(yīng)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)前饋理論上可以無差，反應(yīng)必定有差如果系統(tǒng)中的干擾數(shù)量很少，前饋控制可以逐個測量干擾，加以克服，理論上可以做到被控變量無差。而反應(yīng)控制系統(tǒng)，無論干擾的多與少、大與小，只有當(dāng)干擾影響到被控變量，產(chǎn)生“差之后，才能知道有了干擾，然后加以克服，因此必定有差。

5、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，它已考慮了兩個通道的動態(tài)情況，是一種動態(tài)前饋補償器。它追求的目標(biāo)是受控變量的完全不變性。而在實際生產(chǎn)過程中，有時并沒有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下，實現(xiàn)對擾動的補償。令1-3式中的S為0，即可得靜態(tài)前饋控制算式： 2.4-4 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所示的熱交換過程，假假設(shè)忽略熱損失，其熱平衡關(guān)系可表述為： 2.4-5 式中 物料比熱 蒸汽汽化潛熱 物料量流量 載熱體蒸汽流量 換熱器入口溫度 換熱器出口溫度由2.4-5式可解得： 2.4-6用物料出口溫度的設(shè)定值代替上式中的，可得 =

6、 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，能對物料的進口溫度、流量和出口溫度設(shè)定值作出靜態(tài)前饋補償。由于在2.4-7式中，Q與1i-2是相乘關(guān)系，所以這是一個非線性算式。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，假假設(shè)2.4-5式是對熱平衡確實切描述的話，那么由此而構(gòu)筑的非線性前饋控制器能實現(xiàn)靜態(tài)的全補償。對變量間存在相乘或相除關(guān)系的過程，非線性是很嚴(yán)重的，假假設(shè)通過對它們采用線性化處理來設(shè)計線性的前饋控制器，那么當(dāng)工作點轉(zhuǎn)移時，往往會帶來很大誤差。在化工工藝參數(shù)中

7、，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)，其前饋計算常以非線性面目出現(xiàn)。從采用前饋控制的必要性來看，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象一般有多重滯后，僅采用反應(yīng)調(diào)節(jié)，質(zhì)量還會不和要求。增加前饋補償是改良控制的一條可行途徑。對溫度和成分控制應(yīng)考慮采用非線性運算和動態(tài)補償。圖2.47中的前饋補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償算式2.4-7式的要求進行精確跟蹤。2前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)在理論上，前饋控制可以實現(xiàn)受控變量的

8、不變性，但在工程實踐中，由于以下原因，前饋控制系統(tǒng)依然會存在偏差。1實際的工業(yè)對象會存在多個擾動，假設(shè)均設(shè)置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費用和維護工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾作前饋通道。這樣設(shè)計的前饋控制器對其它干擾是絲毫沒有校正作用的。2受前饋控制模型精度限制。3用儀表來實現(xiàn)前饋控制算式時，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)或純微分環(huán)節(jié)時，它們在物理上是不能實現(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)節(jié)。前饋控制系統(tǒng)中，不存在受控變量的反應(yīng)，也即對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。因此，如果控制的結(jié)果無法消除

9、受控變量的偏差，系統(tǒng)也無法獲得這一信息而作進一步的校正。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應(yīng)結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時的優(yōu)點，又保持了反應(yīng)控制能克服多種擾動及對受控變量最終檢驗的長處，是一種適合化工過程控制、較有開展前途的控制方法。換熱器的前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)及其方塊圖分別表示在圖2.4-8和圖2.4-9。 圖2.4-8 換熱器的前饋反應(yīng)控制系統(tǒng) 圖2.4-9 前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)方塊圖圖2.4-9所示前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 = 2.4-8應(yīng)用不變性原理條件 時，要求，代入2.4-8式，可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為 2.4-9比擬2.4-9

10、式和2.4-3式可知，前饋反應(yīng)控制與純前饋控制實現(xiàn)“全補償?shù)乃闶绞窍嗤?。前饋反?yīng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：從前饋控制角度，由于增添了反應(yīng)控制，降低了對前饋控制模型的精度要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。從反應(yīng)控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時的粗調(diào)作用，大大減小了控制的負(fù)擔(dān)。3前饋串級控制系統(tǒng)分析圖2.4-6換熱器的前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)可知，前饋控制器的輸出與反應(yīng)控制器的輸出疊加后直接送至控制閥，這實際上是將所要求的物料量F與加熱蒸汽量FS的對應(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償?shù)木?，對控制閥提出了嚴(yán)格的要求，希望它靈敏、線性及盡可能小的滯環(huán)區(qū)。此

11、外還要求控制閥前后的壓差恒定，否那么，同樣的前饋輸出將對應(yīng)不同的蒸汽流量，這就無法實現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個問題，工程上將在原有的反應(yīng)控制回路中再增設(shè)一個蒸汽流量副回路，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 前饋串級控制系統(tǒng)圖2.4-11 前饋串級控制系統(tǒng)方框圖 2.4-10 因為串級系統(tǒng)最正確設(shè)計那么1，根據(jù)不變性原理當(dāng) 那么 2.4-12 2.4-12 曲線圖 前饋控制規(guī)律的實施1. 系統(tǒng)設(shè)計對可測不可控的干擾，變化幅度大，且對被調(diào)參數(shù)影響大，工藝指標(biāo)要求嚴(yán)格工藝要求實現(xiàn)參數(shù)間的某種特殊關(guān)系，即按某一種數(shù)學(xué)模型來進行調(diào)節(jié)2. 前饋補償

12、裝置的控制算法通過對前饋控制系統(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)律取決于對象干擾通道與控制通道的特性。由于工業(yè)對象的特性極為復(fù)雜，這就導(dǎo)致了前饋控制規(guī)律的形式繁多，但從工業(yè)應(yīng)用的觀點看，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、運行和維護。實踐證明，相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對象都具有非周期性與過阻尼的特性，因此經(jīng)?？捎靡粋€一階或二階容量滯后，必要時再串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)來近似它。 2.4-13 超前滯后環(huán)節(jié) 2.4-14 2.4-15 圖2.4-13 超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖 純滯后補償 (2.4-16)當(dāng)較小時， = 2.4-17 2.4-18上式所示為帶有純滯后的“超前滯后前饋控制規(guī)律，其純滯后環(huán)節(jié)按 2.4-19近似展開。此種“超前滯后前饋補償模型，已成為目前廣泛應(yīng)用的一種動態(tài)前饋補償模式。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： 2.4-20式中，<1，< 過補償；>1，> 欠