過程控制-第4章-前饋控制系統(tǒng)

4.2前饋控制系統(tǒng)設(shè)計第三章單回路控制系統(tǒng)設(shè)計4.1串級控制系統(tǒng)設(shè)計

都是負(fù)反饋，當(dāng)擾動發(fā)生,通過檢測擾動引起的輸出偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以負(fù)反饋進(jìn)行擾動調(diào)節(jié)時，輸出必然有波動。有沒有這樣一種控制，當(dāng)干擾一出現(xiàn)，在其影響輸出之前，就進(jìn)行抑制，從而對輸出沒有影響？

此控制具有以下特征：在擾動影響輸出前進(jìn)行調(diào)節(jié)。直接測量擾動大小，通過調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對擾動的完全補(bǔ)償，從而實現(xiàn)消除擾動對輸出的影響。前饋控制就是測量擾動，補(bǔ)償擾動的控制1前饋控制的基本概念前饋控制是相對于反饋控制而言的。1、反饋控制：Feedbackcontrol簡稱FBC反饋控制在被控參數(shù)偏離給定值后，依據(jù)偏差，控制器發(fā)出控制指令，補(bǔ)償擾動對被控參數(shù)的影響

反饋控制特點：當(dāng)干擾已經(jīng)發(fā)生，但是被控參數(shù)尚未變化，偏差=0，則控制器不產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。例如：閉環(huán)中的干擾：冷流體流量波動干擾設(shè)定

測量變送

反饋控制器

執(zhí)行器被控變量對象偏差——基于偏差的控制反饋控制總要滯后擾動，是一種不及時的控制。反饋控制是閉環(huán)控制，存在穩(wěn)定性問題。對閉環(huán)回路中擾動都有調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)器一般采用P、I、D控制規(guī)律，具有通用性。干擾設(shè)定

測量變送

反饋控制器

執(zhí)行器被控變量對象偏差2、前饋控制

Feedforwardcontrol簡稱FFC

當(dāng)擾動一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器就根據(jù)擾動的大小和性質(zhì)進(jìn)行控制，補(bǔ)償擾動對系統(tǒng)的影響，使被控參數(shù)不變。例如：閉環(huán)中的干擾：冷流體流量波動—突然增加這種直接根據(jù)造成偏差原因--擾動進(jìn)行的控制稱為前饋控制

前饋控制：當(dāng)冷流體流量增加N時，其對輸出溫度影響假如為Y1，當(dāng)其一產(chǎn)生，即改變蒸汽流量Fs

，使得蒸汽Fs

對輸出溫度影響為-Y1，那么輸出溫度就不會變化。通過設(shè)計前饋調(diào)節(jié)器，使得調(diào)節(jié)器改變的量剛好補(bǔ)償干擾對對象的影響。對象干擾前饋調(diào)節(jié)器

執(zhí)行器被控變量

測量變送器干擾通道Y1-Y1

前饋控制特點：①前饋控制器是“測量擾動，消除擾動對被控量的影響”。前饋調(diào)節(jié)器又稱為“擾動補(bǔ)償器”。②擾動發(fā)生，前饋控制器動作及時，對抑制由于擾動引起的動、靜態(tài)偏差比較快速有效。③前饋控制屬開環(huán)控制，只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)穩(wěn)定，控制系統(tǒng)必定穩(wěn)定。對象干擾前饋控制器執(zhí)行器被控變量

測量變送器干擾通道Y1-Y1④只對被測量的可測而不可控的擾動有校正作用，而對系統(tǒng)中的其他擾動無校正作用。即前饋控制具有指定性補(bǔ)償?shù)木窒扌?。⑤前饋控制器的控制?guī)律，取決于被控對象的特性，因此，有時控制規(guī)律比較復(fù)雜。對象干擾前饋控制器執(zhí)行器被控變量

測量變送器干擾通道Y1-Y1前饋控制與反饋控制比較干擾設(shè)定

測量變送

反饋控制器

執(zhí)行器被控變量對象偏差對象干擾前饋控制器執(zhí)行器被控變量

測量變送器干擾通道Y1-Y1

特點比較：前饋基于干擾控制，反饋基于偏差控制抑制干擾，前饋控制比反饋控制及時有效前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制使用的是與實施對象特性而定的專用控制器，反饋控制采用通用PID控制器一種前饋控制只能克服一種干擾，反饋控制只用一個控制器就可克服多個干擾前饋控制的應(yīng)用場合

系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，單用反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時。

當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式1．靜態(tài)前饋由教材求得的前饋控制器，它已考慮了兩個通道的動態(tài)情況，是一種動態(tài)前饋補(bǔ)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(bǔ)償。令4-21式中的S為0，即可得靜態(tài)前饋控制算式：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4-13所示的熱交換過程，假若忽略熱損失，其熱平衡關(guān)系可表述為：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(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（θ10-θi）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。注意，假若上式是對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現(xiàn)靜態(tài)的全補(bǔ)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，假若通過對它們采用線性化處理來設(shè)計線性的前饋控制器，則當(dāng)工作點轉(zhuǎn)移時，往往會帶來很大誤差。換熱器的靜態(tài)前饋控制在化工工藝參數(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，僅采用反饋調(diào)節(jié)，質(zhì)量還會不和要求。增加前饋補(bǔ)償是改進(jìn)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(bǔ)償。圖中的前饋補(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)償算式的要求進(jìn)行精確跟蹤。

單純前饋控制的存在問題：

(1)補(bǔ)償效果無法檢驗：單純前饋不存在被控變量的反饋，補(bǔ)償效果沒有檢驗的手段，前饋作用并沒有最后消除偏差時，系統(tǒng)無法得知這一信息而作進(jìn)一步的校正。（2）多個干擾成本大：由于工業(yè)對象存在多個干擾，勢必要設(shè)置多個前饋控制通道，因而增加了投資費用和維護(hù)工作量。（3）控制精度不高：前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制，對象特性要受到負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致Gff(s)和Gpc(s)的變化。反饋控制的優(yōu)點：任何擾動對系統(tǒng)的影響均可消除；系統(tǒng)準(zhǔn)確性高。反饋控制的缺點：有偏差才控制;不能事先規(guī)定調(diào)節(jié)器的輸出。將前饋、反饋控制結(jié)合可優(yōu)勢互補(bǔ)，揚(yáng)長避短前饋與反饋相結(jié)合，構(gòu)成前饋—反饋控制系統(tǒng)（FFC-FBC）

當(dāng)N變化時，前饋控制器改變加熱蒸氣Fs以補(bǔ)償N對被控變量Y的影響；同時反饋對其它干擾如物料入口溫度等按PID規(guī)律進(jìn)行校正，這樣兩個校正作用相疊加，使Y盡快回到給定值。Gff對象MffY

Y2

ΣFSTCSp前饋、反饋控制分別在系統(tǒng)中作用：前饋控制克服反饋控制不易克服的主要干擾，而對其它干擾則進(jìn)行反饋控制。前饋-反饋控制方框圖Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-Y1

SpNY+Y2TC(S)Wff對象Mff

ΣFSTCSpNY干擾N對被控變量Y的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-Y1

SpNY+Y2TC(S)應(yīng)用絕對不變性條件：可推導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)：

可見:FFC-FBC系統(tǒng)實現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件與FFC相同。前饋—反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點：

（1）由于增加了反饋回路，只需對主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其它干擾可由反饋控制予以校正，大大簡化了原有前饋控制系統(tǒng)；

（2）反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求；（3）負(fù)荷變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)能力。

（4）當(dāng)前饋信號加在反饋信號之前時，前饋控制器特性不僅與擾動通道特性和控制通道特性有關(guān)，而且與反饋控制器特性有關(guān)。（同學(xué)試自己推導(dǎo)）3、前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)

前饋-反饋控制系統(tǒng)的局限性：

前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出相疊加后送至控制閥，這實際上將所要求的物料流量與加熱蒸氣流量對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為物料流量與控制閥膜片壓力間的關(guān)系。

這樣為了保證前饋補(bǔ)償?shù)木?，對控制閥(執(zhí)行器)提出了嚴(yán)格要求，希望它靈敏、線性及盡可能小的滯環(huán)區(qū)。另外，當(dāng)有多個主要干擾時，用前饋-反饋不能得到要求的控制質(zhì)量。Wff對象

MffY

ΣFSTCSpSpWffNMffY1

Y2

Σ

TCFCFS前饋-串級控制方框圖Wff(S)Wf(S)Wo1(S)+-SpNYTC(S)+Wo2(S)FC(S)-利用串級控制副回路的特性，降低對執(zhí)行器要求：同樣，可根據(jù)不變性條件推導(dǎo)Wff的傳遞函數(shù)。式中，G’o2為副回路等效對象的傳遞函數(shù)：Wff(S)Wf(S)Wo1(S)+-SpNYTC(S)+Wo2(S)FC(S)-

串級控制系統(tǒng)中副回路是一個很好的隨動系統(tǒng)，可把副回路近似處理為：應(yīng)用不變性條件：可推導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)：

可見，無論哪種形式的前饋控制系統(tǒng)，其前饋控制器的傳遞函數(shù)均可表示為對象的干擾通道與控制通道的特性之比，并前面加以“負(fù)”號。2前饋控制器的設(shè)計(了解)不變性原理是前饋控制的理論基礎(chǔ)。一、不變性原理不變性原理指控制系統(tǒng)的被控量與擾動量完全無關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)。

被控過程及儀表

Y(t)N(t)

按照控制系統(tǒng)輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)的不變性程度，分為幾種不變性類型：

1．絕對不變性

2．穩(wěn)態(tài)不變性

3．ε不變性1．絕對不變性

被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，過渡過程中始終不變。即靜態(tài)和動態(tài)偏差都為0。前饋控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前饋控制方框圖WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)前饋控制Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)前饋控制方框圖NΔNyy2(t)y1(t)tt前饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償過程WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)y1(t)+y2(t)=02．穩(wěn)態(tài)不變性被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)偏差與擾動無關(guān)。即靜態(tài)偏差為0，動態(tài)不為0。y1(t)y2(t)系統(tǒng)輸出y(t)靜態(tài)偏差為0動態(tài)偏差不為03．ε不變性被控量Y(t)在擾動量N(t)作用下，系統(tǒng)偏差小于一個小量，用ε表示。y1(t)y2(t)系統(tǒng)輸出y(t)ε二、前饋控制器的設(shè)計1）輸出Y(s)與擾動N(s)之間關(guān)系：WffNFY(s)Y1(s)Y2(s)對象Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)V(S)Wo(S)V(S)根據(jù)框圖，有：則根據(jù)絕對不變性原理：Wff(S)Wf(S)Wo(S)++Y1(s)Y2(s)N(s)Y(s)滿足輸出絕對不變性前饋控制器：滿足輸出絕對不變性的前饋控制器是由系統(tǒng)對象的擾動通道特性和控制通道特性決定。當(dāng)對象通道特性比較復(fù)雜時,前饋控制器復(fù)雜,難以實現(xiàn)。所以滿足絕對不變性的前饋控制器實現(xiàn)條件比較復(fù)雜。滿足穩(wěn)態(tài)不變性前饋控制器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單,且穩(wěn)態(tài)誤差為0。2）前饋控制器的設(shè)計

前饋控制器有兩種形式：靜態(tài)、動態(tài)1、靜態(tài)前饋控制器滿足穩(wěn)態(tài)不變性，取t->∞(即s->0)的值。即只取其通道增益。有：靜態(tài)前饋控制器是一個比例環(huán)節(jié)。擾動N

擾動輸出調(diào)節(jié)輸出系統(tǒng)輸出t->∞Wff(s)Wo(s)Wf(s)N擾動N

動態(tài)前饋要補(bǔ)償?shù)拿娣e動態(tài)過程產(chǎn)生的偏差擾動輸出前饋補(bǔ)償系統(tǒng)輸出2、動態(tài)前饋控制器動態(tài)前饋Wff(s)滿足絕對不變性：靜態(tài)前饋控制

常見擾動通道和控制通道特性為帶純滯后一階慣性環(huán)節(jié)。動態(tài)前饋控制器:討論：（1）To=Tf，則若,動態(tài)前饋為純遲延,可實現(xiàn)；若,動態(tài)前饋為純提前,不可實現(xiàn)。擾動N由此可得：在選擇控制通道時應(yīng)選擇純遲延短的通道。Wff(s)Wo(s)Wf(s)N控制控制（2）τf=τo，則若To=Tf

,若To>Tf

,若To<Tf

,為超前補(bǔ)償特性為滯后補(bǔ)償特性為比例環(huán)節(jié)擾動N一般對象的純遲延并不明顯，因此動態(tài)前饋常采用:Wff(s)Wo(s)Wf(s)N超前滯后3復(fù)合控制系統(tǒng)1、單純的前饋控制系統(tǒng)2、前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)3、前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)1、單純的前饋控制系統(tǒng)(1)動態(tài)前饋控制（基于“絕對不變性原理”）WffNFMffY考慮過程對象通道特性如圖所示換熱器前饋控制系統(tǒng)即為單純的動態(tài)前饋控制。NΔNYY2Y1ttGff(S)Gf(S)Go(S)++Y1

Y2NY前饋控制方框圖

補(bǔ)償原理：通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量控制通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致，并且符號相反，以達(dá)到補(bǔ)償效果。（2）靜態(tài)前饋控制

（基于穩(wěn)態(tài)不變性原理）

定義：前饋控制器的輸出Mff僅僅是輸入量的函數(shù)，而與時間因子t無關(guān)，稱為靜態(tài)前饋控制。

適用范圍：一般對于補(bǔ)償要求不高或干擾通道與控制通道的動態(tài)響應(yīng)相近，可采用靜態(tài)前饋控制。

對于一些較簡單的對象，有條件列寫有關(guān)參數(shù)的靜態(tài)方程時，則可按照方程求得靜態(tài)前饋控制方案。

WffNFSMffY

Y2

Cp—物料的比熱容hs—蒸汽的汽化潛熱例如：如圖所示，換熱器溫度控制系統(tǒng)中，主物料流量波動N為主要干擾，忽略熱損失。則熱量平衡式為：由上式可求得，靜態(tài)前饋控制方程式為：靜態(tài)前饋控制原理圖ΣNFSMffY

Y2

×Cp/hSX

-FC×4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用原則

前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用原則：（1）對象的滯后或純滯后（控制通道）較大，反饋控制難以滿足工藝要求，可以采用前饋控制把主要干擾引入前饋控制，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。（2）系統(tǒng)中存在著可測、不可控、變化頻繁、幅值大且對被控變量影響顯著的干擾，可采用前饋控制大大提高控制品質(zhì)。

（3）在決定選用前饋控制方案后，當(dāng)靜態(tài)前饋能滿足工藝要求時，不必選用動態(tài)前饋。特別注意:

串級控制系統(tǒng)與前饋-反饋控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。T1CT2C燃料原油T1C燃料原油WffΣ

串級控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計錯誤的串級控制系統(tǒng)TC燃料原油FC上圖所示的系統(tǒng)方框圖FTWf(S)Wo(S)+-FTC-FC5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定1)Kff的整定（靜態(tài)）2)T1、T2的整定1）Kff的整定重要性：如果Kff過小，補(bǔ)償不足。如果Kff過大，則相當(dāng)對反饋控制路施加了干擾，將會輸出錯誤的靜態(tài)前饋輸出。Kff的整定方法：

（1）開環(huán)整定方法：開環(huán)整定是在反饋回路斷開，使系統(tǒng)處于單純靜態(tài)前饋狀態(tài)下，施加干擾，Kff

由小逐步增大，直到被控變量回到給定值，此時Kff

為最佳值。

Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K（2）閉環(huán)整定方法：Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K在FFC-FBC運行下整定方法1：開關(guān)K打開，在只有反饋時，整定反饋控制器的參數(shù)；

開關(guān)K閉合，使系統(tǒng)處于前饋—反饋狀態(tài)，施加同樣的干擾作用，由小而大逐漸改變Kff值。系統(tǒng)輸出為以下幾種情況:Kff=0無前饋Kff適當(dāng)補(bǔ)償合適Kff太小欠補(bǔ)償Kff過大過補(bǔ)償欠補(bǔ)償,增大Kff,施加同樣干擾,看輸出過補(bǔ)償,減小Kff,施加同樣干擾,看輸出方法2：差值法：測量前饋控制器輸入，輸出變化量；算比值輸入：擾動量輸出：控制量Wff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K步驟：

a、開關(guān)K打開，在只有反饋和擾動N0時，整定反饋控制器的輸出；記錄穩(wěn)定后擾動量N0和反饋控制器輸出u0

b、人為改變擾動大小為N1；記錄穩(wěn)定后擾動量N1和反饋控制器輸出u1

c、按下式計算：

d、設(shè)置Kff值，施加擾動，觀察輸出。如果輸出不夠理想，調(diào)整。Kff(S)Wf(S)Wo(S)+-NTC(S)+K2）T1、T2的整定

看過渡過程曲線，調(diào)參數(shù)的經(jīng)驗法：1.欠補(bǔ)償曲線：第一個峰值沒有大的減小。當(dāng)T1過小或T2過大時，如圖(a)。2.過補(bǔ)償曲線：出現(xiàn)反向的過調(diào)輸出。當(dāng)T1過大或T2過小時，如圖(b)。3.補(bǔ)償合適曲線：第一個峰值明顯減小，也未出現(xiàn)反向過調(diào)輸出當(dāng)T1、T2分別接近或等于對象控制通道和干擾通道時間常數(shù)時，,如圖(c)。yt(a)欠補(bǔ)償ty(b)過補(bǔ)償yt(c)補(bǔ)償合適動態(tài)前饋補(bǔ)償器T1和T2的整定補(bǔ)償合適：T1=To，T2=Tf，為完全動態(tài)補(bǔ)償；T1、T2為其他值，為欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償：藍(lán)線為前饋控制器輸出，紅線為系統(tǒng)輸出欠補(bǔ)償過補(bǔ)償

特別說明：

由于過補(bǔ)償往往是前饋控制系統(tǒng)危險之源，它會破壞控制過程，甚至達(dá)到不能允許的地步。相反，欠補(bǔ)償卻是尋求合理的前饋動態(tài)參數(shù)的途徑。因此動態(tài)參數(shù)的整定應(yīng)從欠補(bǔ)償開始，逐漸強(qiáng)化前饋作用，即增大T1

或減小T2，直至出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)内厔?，再略減前饋作用，便可獲滿意的控制過程。1.欠補(bǔ)償曲線：增強(qiáng)前饋補(bǔ)償作用，T1↑或T2↓。2.過補(bǔ)償曲線：減小前饋補(bǔ)償作用，T1↓或T2↑。直到出現(xiàn)補(bǔ)償合適曲線。1、連續(xù)消毒塔溫度控制制藥業(yè)中，抗菌素生產(chǎn)采用培養(yǎng)基發(fā)酵的方法進(jìn)行。培養(yǎng)基是用糧食、油料等粉劑和水制成，在它進(jìn)入發(fā)酵罐接種之前必須進(jìn)行滅菌消毒。過去的消毒方法是把培養(yǎng)基放到發(fā)酵罐中，用蒸汽加溫到128度左右，保持一段時間，殺滅其中的霉菌，并將培養(yǎng)基煮成熟料。消毒后的培養(yǎng)基還