前饋控制系統(tǒng)課件

1、過程控制系統(tǒng)及工程信息學(xué)院自動(dòng)化系：孫洪程 Email:S第5章 前饋控制系統(tǒng) 第1頁，共40頁。前饋控制系統(tǒng)5.1 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5.3 前饋控制規(guī)律的實(shí)施5.4 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5.6 多變量前饋控制 實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第5章第2頁，共40頁。5.1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-滯后控制 前饋控制-按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方式(a) 反饋控制方案 FBC例子：換熱器溫度控制TCFFs1第3頁，共40頁。按干擾量的變化來提前補(bǔ)償其對被控變量的影響-超前控制 換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干

2、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(bǔ)償由于進(jìn)料流量變化對出口溫度的影響。（b）前饋控制方案FFC5.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)GffFFs1第4頁，共40頁。5.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1tF前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過程第5頁，共40頁。5.1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)行控制提前，控制及時(shí)控制的依據(jù)檢測的信號(hào) 控制作用的 發(fā)生時(shí)間反饋控制前饋控制被控變量的偏差干擾量的大小被控變量干擾量偏差出現(xiàn)后偏差出現(xiàn)前第6頁，共40頁。5.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2） 前饋控制屬于開環(huán)控制 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F圖5-3 系統(tǒng)方塊圖 開環(huán)控制，控制

3、效果不能通過反饋驗(yàn)證，因此對控制器設(shè)計(jì) 的要求比較嚴(yán)格對象第7頁，共40頁。 不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設(shè)計(jì)依據(jù)“擾動(dòng)補(bǔ)償理論” 5.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3） 是一種根據(jù)對象特性設(shè)計(jì)的“專用”控制器 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F第8頁，共40頁。5.1前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（4） 一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾缺點(diǎn)第9頁，共40頁。前饋控制系統(tǒng)5.1 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5.3 前饋控制規(guī)律的實(shí)施5.4 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5.6 多變量前饋控制 實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第5章第

4、10頁，共40頁。5.2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)5.2.1 動(dòng)態(tài)前饋控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償 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）第11頁，共40頁。單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1圖5-4 鍋爐汽包三沖量控制 FCLC蒸汽量 D液位 L流量 F靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)例子1：給水蒸汽第12頁，共40頁。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 GffFFs12例子2：Cp - 比熱 hs - 蒸汽的 汽化潛熱 第13頁，共40頁。單純的前饋控制系統(tǒng)5.2.1圖5-5 換熱器的靜態(tài)前饋控制流程原理圖FC1iF2Cp/hs第14頁，共40

5、頁。開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)注意。 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)上適當(dāng)加入動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié) GffD.FS.F K1i2FCp/hs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，F(xiàn)FC穩(wěn)定；第15頁，共40頁。前饋-反饋控制系統(tǒng)5.2.2 反饋、前饋取長補(bǔ)短，形成前饋反饋控制方案（FFCFBC） 對主要干擾進(jìn)行前饋控制校正及時(shí) 對其它干擾進(jìn)行反饋控制反饋校正，多干擾控制 單純前饋控制的局限性： （1）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（2）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)第16頁，共4

6、0頁。前饋-反饋控制系統(tǒng)5.2.2圖5-7 換熱器FFC-FBC系統(tǒng) +GffTCFSF1 FFC按負(fù)荷F的變化校正蒸汽量FsFBC根據(jù)溫度偏差，對蒸汽量Fs進(jìn)行進(jìn)一步校正。 FFC與FBC作用疊加，又稱復(fù)合控制系統(tǒng)。第17頁，共40頁。前饋-反饋控制系統(tǒng)5.2.2圖58 典型FFCFBC系統(tǒng)方塊圖GPD (s)GC(s)GPC(s)Gff(s)1i1F第18頁，共40頁。前饋-反饋控制系統(tǒng)5.2.2GPD(s)十Gff(s)GPC(s)0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)：FFCFBC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是相同的 第19頁，共40頁。（3）有

7、模型變化的適應(yīng)能力 前饋-反饋控制系統(tǒng)5.2.2FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：（1）FFC只需對主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其余干擾由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低 第20頁，共40頁。前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)5.2.3 同樣對于上述換熱器FFC-FBC系統(tǒng)，如果蒸汽流量不穩(wěn)定，無論FFC或FBC的效果都不能正常發(fā)揮解決辦法：串級(jí)控制Gff +TCFCFSF 圖5-9 換熱器的前饋-串級(jí)控制系統(tǒng) 第21頁，共40頁。前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)5.2.3GPD(s)Gff(s)GC(s)GPC(s)GC2(s)GP2(s)F1i1第22頁，共40頁。前饋控制系統(tǒng)5.1 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)5.

8、2 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5.4 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5.6 多變量前饋控制 實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第5章第23頁，共40頁。5.3前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施工業(yè)應(yīng)用希望控制規(guī)律能具有一定的通用性，便于控制實(shí)施（特別是儀表） 前饋控制規(guī)律取決于對象干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù)工業(yè)對象特性復(fù)雜，導(dǎo)致前饋控制規(guī)律種類繁多，不利于實(shí)施第24頁，共40頁。5.3前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施一般的工業(yè)對象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：-K+K+-+ 輸入 輸出 第25頁，共40頁。5.3前饋控制系統(tǒng)的實(shí)施Kf K1/(T2s+1)輸入+K=T1/T

9、2-1輸出圖5-12 （T1s+1）/（T2s+1）實(shí)施框圖=T1/T2 1l（輸出）mfT1 T2 超前特性T1 T2 滯后特性T1 =T2 比例特性第26頁，共40頁。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-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-反饋，可得到更好的控制效果。第27頁，共40頁。前饋控制系統(tǒng)5.1 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5.3 前饋控制規(guī)律的實(shí)施5.4 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用5.5 前饋控

10、制系統(tǒng)的參數(shù)整定5.6 多變量前饋控制 實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第5章第28頁，共40頁。5.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用（1）對象滯后較大，反饋難以滿足要求，可把主要干擾進(jìn)行前饋控制 （2）系統(tǒng)中存在可測、不可控的顯著干擾 （3）工藝要求實(shí)現(xiàn)變量間特殊關(guān)系的控制 （4）經(jīng)濟(jì)性原則什么情況下采用前饋控制：第29頁，共40頁。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)前饋-反饋與串級(jí)控制系統(tǒng)的區(qū)別：第30頁，共40頁。5.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用圖5l 5 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的串級(jí)控制系統(tǒng) TCFCFTCFC原料油燃油第31頁，共40頁。前饋控制

11、系統(tǒng)5.1 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5.3 前饋控制規(guī)律的實(shí)施5.4 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用5.5 前饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定5.6 多變量前饋控制 實(shí)驗(yàn)：前饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 第5章第32頁，共40頁。5.5前饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定Kf T1 T2 的整定 GPCGCGffGPDD(s)12XY第33頁，共40頁。Kf 的整定5.5.15.5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法2：閉環(huán)整定法：2開1閉 方法1：開環(huán)整定法： 斷開反饋通道，單純前饋控制，施加干擾， 改變Kf ，直到控制變量回到給定值條件：反饋控制器必須有積分作用第34頁，共40頁。開關(guān)1、2都閉合，做兩次實(shí)

12、驗(yàn)Kf 的整定5.5.1方法3：前饋反饋系統(tǒng)下（2）在反饋整定好的基礎(chǔ)上，施加相同的干擾量，由小到大改變Kf ，直到滿意。（1）先開2，純反饋。欠補(bǔ)償補(bǔ)償合適過補(bǔ)償?shù)?5頁，共40頁。T1、T2的整定5.5.2 T1 T2 屬于動(dòng)態(tài)參數(shù)的整定，比靜態(tài)參數(shù)的整定復(fù)雜，無完整的工程整定方法和計(jì)算公式。 看曲線，調(diào)參數(shù)，反復(fù)試湊T1T2T1T2（輸出）mf第36頁，共40頁。T1、T2的整定5.5.2 T1 過小或T2 過大，欠補(bǔ)償，未能有效發(fā)揮前饋的補(bǔ)償功能，圖（B）。 T1 過大或T2 過小，過補(bǔ)償，控制品質(zhì)差，圖（D） T1 和T2 接近對象控制通道和干擾通道時(shí)間常數(shù)時(shí)，控制品質(zhì)最佳，圖（C）。 欠補(bǔ)償比過補(bǔ)償好些，安全，整定時(shí)，從欠補(bǔ)償開始調(diào)整 CDBA定性分析：第37頁，共40頁。另外一種方法：（1）確定T1 和T2 哪個(gè)大 在靜態(tài)整定后，使系統(tǒng)分別在反饋狀態(tài)和前饋反饋狀態(tài)下運(yùn)行，施加前饋擾動(dòng)，通過控制過程曲線判斷， T1、T2的整定5.5.2ytabcA反饋曲線，B干擾通道T2 控制通道T1第38頁，共40頁。T1、T2的整定5.5.2（2）若T1 T2 ，取T1在2 T2附近，若T1 T2 ，取