前饋控制資料

1、前饋控制資料主要內(nèi)容根本概念系統(tǒng)構(gòu)造性能分析設(shè)計(jì)應(yīng)用 過(guò)程控制系統(tǒng) 按系統(tǒng)的構(gòu)造特點(diǎn)分類 1、反響控制系統(tǒng) 2、前饋控制系統(tǒng) 3、前饋-反響控制系統(tǒng)4.2.1 前饋控制根本概念控制器動(dòng)作補(bǔ)償擾動(dòng)影響被控過(guò)程受到擾動(dòng)產(chǎn)生偏差特點(diǎn)：?jiǎn)位芈贰⒋?jí)控制反響閉環(huán)控制反響控制 在反響控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進(jìn)展控制。如果擾動(dòng)已進(jìn)入控制系統(tǒng)，而被控量尚未變化，控制器是不會(huì)產(chǎn)生校正作用的。由于偏差是在擾動(dòng)作用之后才產(chǎn)生的，故對(duì)于一些滯后包括純滯后和容量滯后較大的對(duì)象來(lái)說(shuō)，控制作用往往不及時(shí)，使控制過(guò)程產(chǎn)生較大的偏差，且偏差持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。當(dāng)工藝對(duì)控制質(zhì)量要求嚴(yán)格時(shí)，有些場(chǎng)合反響控制便難以滿足要

2、求。 雙容水箱液位控制 例：雙容水箱液位控制 前饋控制 前饋控制正是改善反響控制不及時(shí)的一種方法，它是按引起被控量變化的擾動(dòng)大小進(jìn)展控制的。當(dāng)擾動(dòng)剛出現(xiàn)且能被測(cè)出時(shí)，控制器就能夠發(fā)出控制信號(hào)去抑制這種擾動(dòng)，無(wú)須等待被控量的變化。因此，前饋控制對(duì)于抑制擾動(dòng)的影響比反響控制來(lái)得快。如果使用恰當(dāng)，控制質(zhì)量可獲得改善。這種按照擾動(dòng)產(chǎn)生校正作用的控制方法，通稱為前饋控制。前饋控制的根本原理：測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的擾動(dòng)量(外界擾動(dòng)和設(shè)定值變化)，并按照其信號(hào)產(chǎn)生適宜的控制作用去改變控制量。前饋控制的特點(diǎn)：按引起被控量變化的擾動(dòng)大小進(jìn)展控制，無(wú)須等待被控量的變化。例：換熱器溫度控制 方案一： 反響控制 FBC 用加

3、熱載體的流量控制被加熱流體的溫度 滯后控制 前饋控制方案 FFC 按干擾量的變化來(lái)提前補(bǔ)償其對(duì)被控變量的影響。 方案二： 換熱器進(jìn)料量為出口溫度的主要干擾量，可通過(guò)流量測(cè)量，通過(guò)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。 超前控制擾動(dòng)作用前饋?zhàn)饔们梆伩刂葡到y(tǒng)的全補(bǔ)償過(guò)程 一、反響控制與前饋控制的特點(diǎn)(一) 反響控制的特點(diǎn)1)反響控制的本質(zhì)是“基于偏差來(lái)消除偏差。2)無(wú)論擾動(dòng)發(fā)生在哪里，被控變量產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作。不及時(shí)。3)反響控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)，存在一個(gè)穩(wěn)定性的問(wèn)題。4)所有擾動(dòng)都包圍在閉環(huán)內(nèi)，可消除多種擾動(dòng)。5)反響控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)規(guī)律：P、PI、PD、PI

4、D。(二) 前饋控制的特點(diǎn)1前饋控制器是“基于擾動(dòng)來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，稱為擾動(dòng)補(bǔ)償。2按干擾作用的大小進(jìn)展控制提前，控制及時(shí)。3前饋控制屬于開(kāi)環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性的問(wèn)題：開(kāi)環(huán)控制，控制效果不能通過(guò)反響驗(yàn)證，因此對(duì)控制器設(shè)計(jì)的要求比較嚴(yán)格。4是一種根據(jù)對(duì)象特性設(shè)計(jì)的“專用控制器。不象反響控制通用PID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)“擾動(dòng)補(bǔ)償理論。 5只對(duì)被前饋的可測(cè)不可控的主要擾動(dòng)有校正作用。其它擾動(dòng)無(wú)法控制，具有一定的局限性?？刂埔罁?jù)檢測(cè)的信號(hào)控制作用的發(fā)生時(shí)間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動(dòng)量的大小擾動(dòng)量偏差出現(xiàn)前前饋與反響的控制比較系統(tǒng)框圖

5、與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖GPD(s) 干擾通道， GPC(s) 控制通道完全補(bǔ)償條件：FS0 而 YS=0 GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)擾動(dòng)作用前饋?zhàn)饔貌蛔冃栽?一) 不變性的根本概念 “不變性是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無(wú)關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)。 被控過(guò)程f (t)y (t)干擾輸入下的系統(tǒng)f (t)：擾動(dòng)量，系統(tǒng)輸入?yún)?shù)y (t)：被控量，系統(tǒng)輸出參數(shù)當(dāng)f(t)0時(shí)，系統(tǒng)的不變性定義為：y(t)0即被控量y(t)與擾動(dòng)量f(t)無(wú)關(guān)不變性的類型1絕對(duì)不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)量f(t)

6、的作用下被控量y(t)在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中始終保持不變。2誤差不變性：指準(zhǔn)確度有一定限制的不變性，或者說(shuō)與絕對(duì)不變性存在一定誤差為的不變性，又稱為不變性。 系統(tǒng)在擾動(dòng)量作用f(t) 的作用下，被控量y(t)的偏差小于一個(gè)很小的。3) 穩(wěn)態(tài)不變性：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，被控量y(t)與擾動(dòng)量f(t)無(wú)關(guān)。4選擇不變性：系統(tǒng)采用了被控變量對(duì)其中幾個(gè)主要擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)不變性，稱為選擇性不變性。 基于不變性原理組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng) 實(shí)質(zhì)：按擾動(dòng)進(jìn)展補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)系統(tǒng)。4.2.2 系統(tǒng)構(gòu)造與性能分析一、靜態(tài)前饋控制 前饋控制作用表達(dá)式：mff(D,t) mf是其輸入D進(jìn)入控制器的擾動(dòng)量和時(shí)間t的函數(shù) 靜態(tài)前

7、饋控制，是指控制器的輸出量?jī)H是其輸入量的函數(shù)而與時(shí)間因子無(wú)關(guān)，簡(jiǎn)化表達(dá)式： mff(D) 工程上近似表示為線性關(guān)系： Kf 前饋控制器的比例系數(shù)mf 前饋控制器的輸出D- 輸入的變化量例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。解：換熱器的熱平衡方程式忽略熱損失為：F1 C1(T1oT1i)F2 H2(F1F1) C1(T1oT1i)(F2F2) H2F1為主要擾動(dòng)，為保持出口溫度T1o不變，設(shè)冷流體增加為F1+F1，需要載熱體相應(yīng)變化到F2+F2，那么由上式可得靜態(tài)前饋控制方程為：整理后得：Kf為比例常數(shù) F2/F1Kf 如果考慮次要的擾動(dòng)F2和T1i的變化，把冷流體出口溫度穩(wěn)定

8、在設(shè)定值Tx，那么由式可得靜態(tài)前饋控制方程： 前饋控制器 控制方案：?jiǎn)卧M合儀表實(shí)現(xiàn)換熱器靜態(tài)前饋控制方案 靜態(tài)前饋控制 1、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工況下的干擾補(bǔ)償要求沒(méi)有動(dòng)態(tài)那么高。有時(shí)，為了提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋根底上適當(dāng)參加動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié) 2、適用于較為簡(jiǎn)單的對(duì)象，可以寫出靜態(tài)方程式 3、單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題： 開(kāi)環(huán)通道穩(wěn)定，F(xiàn)FC穩(wěn)定； 開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定對(duì)象，要在控制器設(shè)計(jì)時(shí)注意。 動(dòng)態(tài)前饋控制 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償二、前饋反響控制系統(tǒng) 單純前饋控制的局限性： 1不能根據(jù)偏差進(jìn)展控制效果檢驗(yàn) 不能反響而不斷糾正偏差 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) 結(jié)合反響

9、、前饋的特點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而形成前饋反響控制方案FFCFBC 對(duì)主要干擾進(jìn)展前饋控制校正及時(shí) 對(duì)其它干擾進(jìn)展反響控制反響校正，多干擾控制例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)FFC按負(fù)荷F的變化校正蒸汽量F2 。FBC根據(jù)溫度偏差對(duì)蒸汽量F2進(jìn)展進(jìn)一步校正。FFC與FBC作用疊加。完全補(bǔ)償條件與單純FFC一樣。 FFC-FBC優(yōu)點(diǎn)：1FFC只需對(duì)主要干擾進(jìn)展前饋補(bǔ)償，其余干擾由FBC完成 2由于FBC的偏差校正，對(duì)FFC的模型精度要求降低 3有模型變化的適應(yīng)能力 三、前饋串級(jí)控制系統(tǒng) 同樣對(duì)于前例的換熱器FFC-FBC系統(tǒng)，如果蒸汽流量不穩(wěn)定，無(wú)論FFC或FBC的效果都不能正常發(fā)揮。 解決方法：串級(jí)控制

10、 前饋串級(jí)控制系統(tǒng)，抑制副回路蒸汽量F2的擾動(dòng)。 前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)： 1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場(chǎng)合？有某前饋一反響控制系統(tǒng)，其對(duì)象干擾通道的傳遞函為 ，調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)為 ，反響調(diào)節(jié)器用PID規(guī)律，試設(shè)計(jì)前饋調(diào)節(jié)器，并畫(huà)出前饋一反響控制系統(tǒng)的方框圖。例： 答：前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是按照干擾作用的大小進(jìn)展調(diào)節(jié)的，當(dāng)某一干擾出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器就對(duì)操縱變量進(jìn)展調(diào)整，來(lái)補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響。它調(diào)節(jié)及時(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋調(diào)節(jié)器是開(kāi)環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，前饋調(diào)節(jié)規(guī)律不能用PID，它是一種特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律，適用于以下4種場(chǎng)合： 1滯后比較大的調(diào)節(jié)對(duì)象； 2時(shí)間常數(shù)很小的對(duì)象； 3非線性的調(diào)節(jié)對(duì)象； 4按

11、計(jì)算指標(biāo)進(jìn)展調(diào)節(jié)的對(duì)象。 由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖 2、以下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫(huà)出 (a)、(b)、(c)所示三種情況的方塊圖，并比較這三種控制方案的特點(diǎn)。 答：其方塊圖如下圖。其中a為典型的串級(jí)控制系統(tǒng)。主變量為加熱爐出口溫度T，副變量為燃料油流量Q1 引人副變量Q1的目的是為了及時(shí)抑制由于燃料油壓力流量波動(dòng)對(duì)主變量T的影響，以提高主變量T的控制質(zhì)量。 圖b為典型的前饋一反響控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油的出口溫度。綜合了前饋與反響控制的優(yōu)點(diǎn)原油流量變化FC燃料油的參加量出口溫度的變化燃料量的參加量TC抑制其它干擾抑制主干擾 圖c串級(jí)控制：？雙重控制：？前饋-反響控

12、制：？前饋-串級(jí)控制：？ 兩個(gè)調(diào)節(jié)器TC與FC串級(jí)工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級(jí)控制，但并沒(méi)有副回路，只有一個(gè)反響回路，執(zhí)行器的輸出并不能改變?cè)偷牧髁?，所以不能認(rèn)為是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。將(c)與(b)相比較，可知將圖(b)中的前饋調(diào)節(jié)器FC移到了控制回路內(nèi)，便成了圖(c)所表示的形式了。這時(shí)如將FC選擇為比例調(diào)節(jié)器，那么原油流量的變化仍能及時(shí)通過(guò)FC來(lái)改變?nèi)剂嫌偷牧髁?，起到了靜態(tài)前饋?zhàn)饔?，而TC能根據(jù)被控變量的變化起到反響作用。 圖c是一種形似串級(jí)控制但實(shí)際上是一種前饋反響控制的非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造形式。三者的比較串級(jí)控制雙重控制前饋-反響控制串級(jí)控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定信

13、號(hào)雙重控制：一個(gè)控制器輸出作為另一個(gè)控制器的測(cè)量信號(hào)前饋-反響控制：一個(gè)控制的輸出與另一控制器的輸出信號(hào)疊加F1 TC FCT10F2 串級(jí)控制雙重控制前饋-反響控制前饋一反響控制與串級(jí)控制的比較F1 TC FCT10F2 串級(jí)控制系統(tǒng)前饋-反響控制系統(tǒng)前饋一反響控制與雙重控制的比較雙重控制系統(tǒng)前饋-反響控制系統(tǒng) 前饋控制規(guī)律取決于對(duì)象干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù) 工業(yè)對(duì)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 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4.2.3 前饋控制規(guī)律的實(shí)施 一般的工業(yè)對(duì)象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：GPDS、GPCS GFFS

14、一般控制儀表以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中都具有此類模塊什么情況下采用前饋控制：1對(duì)象滯后較大，反響難以滿足要求，可把主要干擾進(jìn)展前饋控制 2系統(tǒng)中存在可測(cè)、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 4.2.4 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用靜態(tài)前饋還是動(dòng)態(tài)前饋 動(dòng)態(tài)前饋復(fù)雜，一般可用靜態(tài)前饋，特別是兩通道時(shí)間常數(shù)相當(dāng)時(shí)。注意前饋控制和串級(jí)控制的區(qū)別 前饋-反響、串級(jí)控制都有兩個(gè)控制參數(shù)，構(gòu)造上也有些相似，注意其區(qū)別 4.2.5 前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 Kf 、T1 、T2 的整定Kf 的整定 開(kāi)環(huán)整定法： 斷開(kāi)反響通道，單純前饋控制，施加干擾，改變Kf ，直到控制變量回到給定值 閉環(huán)整定法： 閉環(huán)整定法系統(tǒng)方塊圖 T1 T2 的整定 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(wú)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 定性分析： 1T1