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第4章2 前馈控制系统.ppt

第4章2 前馈控制系统

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2011-09-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第4章2 前馈控制系统ppt》,可适用于高等教育领域

第二节前馈控制系统设计第二节前馈控制系统设计单回路控制系统设计串级控制系统设计都是负反馈当扰动发生,通过检测扰动引起的输出偏差进行调节。所以用负反馈进行扰动调节时输出必然有波动。有没有这样一种控制当干扰一出现在其影响输出之前就进行抑制从而对输出没有影响?此控制具有以下特征:在扰动影响输出前进行调节。直接测量扰动大小通过调节实现对扰动的完全补偿从而实现消除扰动对输出的影响。前馈控制就是测量扰动补偿扰动的控制内容内容前馈控制的基本概念前馈控制器的设计前馈反馈前馈串级复合控制系统前馈控制系统的应用原则前馈控制系统的参数整定前馈控制系统典型应用前馈控制的基本概念前馈控制的基本概念前馈控制是相对于反馈控制而言的。、反馈控制:Feedbackcontrol简称FBC反馈控制在被控参数偏离给定值后依据偏差控制器发出控制指令补偿扰动对被控参数的影响反馈控制特点:当干扰已经发生但是被控参数尚未变化偏差=则控制器不产生调节作用。例如:闭环中的干扰:冷流体流量波动基于偏差的控制反馈控制总要落后扰动是一种不及时的控制。反馈控制是闭环控制存在稳定性问题。对闭环回路中扰动都有调节作用。调节规律一般采用P、I、D控制规律具有通用性。、前馈控制Feedforwardcontrol简称FFC当扰动一出现调节器就根据扰动的大小和性质进行控制补偿扰动对系统的影响使被控参数不变。例如:闭环中的干扰:冷流体流量波动突然增加这种直接根据造成偏差原因扰动进行的控制称为前馈控制前馈控制:当冷流体流量增加F时其对输出温度影响假如为Y当其一产生即改变蒸汽流量Fs使得蒸汽Fs对输出温度影响为Y那么输出温度就不会变化。通过设计前馈调节器使得调节器改变的量刚好补偿干扰对对象的影响。前馈控制特点:①前馈控制器功能:“测量扰动消除扰动对被控量的影响”。因此前馈调节器又称为“扰动补偿器”。②扰动发生前馈控制器及时动作对抑制由于扰动引起的动、静态偏差快速有效。③前馈控制属开环控制只要系统中各环节稳定控制系统必定稳定。④只对被测的那一个扰动即可测(不可控)的扰动有校正作用而对系统中的其他扰动无校正作用。即前馈控制具有指定性扰动补偿的局限性。⑤前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性。因此有时控制规律比较复杂。前馈控制与反馈控制比较被控变量干扰特点比较:前馈控制是基于扰动控制反馈控制是基于偏差控制抑制干扰前馈控制比反馈控制及时有效前馈控制属于开环控制系统反馈控制是闭环控制系统前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器反馈控制采用通用PID控制器一种前馈控制只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合系统中存在着可测但不可控、变化幅度大、频繁的干扰这些干扰对被控参数影响显著单用反馈控制达不到质量要求时。当控制系统的控制通道滞后时间较长由于反馈控制不及时影响控制质量时可采用前馈或前馈-反馈控制系统。前馈控制器的设计前馈控制器的设计不变性原理是前馈控制的理论基础。一、不变性原理不变性原理指控制系统的输出量与输入量完全无关或在一定准确度下无关。按照控制系统输出与输入的不变性程度分为几种不变性:.绝对不变性.稳态不变性.ε不变性.绝对不变性.绝对不变性输出量Y(s)在输入量F(s)作用下过渡过程中始终不变。即静态和动态偏差都为。前馈控制方框图前馈控制Wf(S)Wo(S)Y(s)前馈控制方框图前馈控制完全补偿F(s)变化y(t)y(t)=.稳态不变性.稳态不变性输出量Y(t)在输入量F(t)作用下系统的稳态偏差与扰动无关。即静态偏差为动态不为。静态偏差为动态偏差不为.ε不变性.ε不变性被控量Y(t)在扰动量F(t)作用下系统稳态偏差小于一个小量用ε表示。二、前馈控制器的设计二、前馈控制器的设计)输出Y(s)与扰动F(s)之间关系:Wf(S)Wo(S)Y(s)根据框图有:则根据绝对不变性原理:满足输出绝对不变性前馈控制器:满足输出绝对不变性的前馈控制器是由系统对象的扰动通道特性和控制通道特性决定。当对象通道特性比较复杂时前馈控制器复杂难以实现。所以满足绝对不变性的前馈控制器实现条件比较复杂。满足稳态不变性前馈控制器实现结构简单且稳态误差为。)前馈控制器的设计前馈控制器有两种形式:静态、动态、静态前馈控制器满足稳态不变性取t>∞(即s>)的值。即只取其通道增益。有:静态前馈控制器是一个比例环节。实际输出干扰产生的偏差、动态前馈控制器动态前馈Wff(s)满足绝对不变性:动态前馈控制常见扰动通道和控制通道特性为带纯滞后一阶惯性环节。动态前馈控制器:讨论:()To=Tf则若,动态前馈为纯迟延,可实现若,动态前馈为纯提前,不可实现。由此可得:在选择控制通道时应选择纯迟延短的通道。控制控制()τf=τo则若To=Tf,若To>Tf,若To<Tf,为超前补偿特性为滞后补偿特性为比例环节一般对象的纯迟延并不明显因此动态前馈常采用:超前滞后复合控制系统复合控制系统、单纯的前馈控制系统、前馈反馈复合控制系统、前馈串级复合控制系统、单纯的前馈控制系统、单纯的前馈控制系统()动态前馈控制(基于“绝对不变性原理”)考虑过程对象通道特性如图所示换热器前馈控制系统即为单纯的动态前馈控制。补偿原理:通过合适的前馈控制规律的选择使干扰经过前馈控制器至被控变量控制通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致并且符号相反以达到补偿效果。()静态前馈控制(基于稳态不变性原理)()静态前馈控制(基于稳态不变性原理)定义:前馈控制器的输出Mff仅仅是输入量的函数而与时间因子t无关称为静态前馈控制。适用范围:一般对于补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近可采用静态前馈控制。对于一些较简单的对象有条件列写有关参数的静态方程时则可按照方程求得静态前馈控制方案。Cp物料的比热容hs蒸汽的汽化潜热由上式可求得静态前馈控制方程式为:静态前馈控制原理图、前馈反馈复合控制系统、前馈反馈复合控制系统单纯前馈控制的存在问题:()补偿效果无法检验:单纯前馈不存在被控变量的反馈补偿效果没有检验的手段前馈作用并没有最后消除偏差时系统无法得知这一信息而作进一步的校正。()多个干扰成本大:由于工业对象存在多个干扰势必要设置多个前馈控制通道因而增加了投资费用和维护工作量。()控制精度不高:前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制对象特性要受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移导致Wo(s)和Wf(s)的变化。将前馈、反馈控制结合可优势互补扬长避短。前馈与反馈相结合构成前馈反馈控制系统(FFCFBC)当F变化时前馈控制器改变加热蒸气Fs以补偿F对被控变量Y的影响同时反馈对其它干扰如物料入口温度等按PID规律进行校正这样两个校正作用相叠加使Y尽快回到给定值。反馈控制克服其它干扰而对不易克服的主要干扰用前馈控制克服。前馈反馈控制方框图干扰F对被控变量Y的闭环传递函数为:应用绝对不变性条件:可推导出前馈控制器的传递函数:可见:FFCFBC系统实现完全补偿的条件与FFC相同。思考:如果前馈控制信号线接在反馈信号前如何设计前馈控制器?前馈反馈控制系统优点前馈反馈控制系统优点()由于增加了反馈回路只需对主要的干扰进行前馈补偿其它干扰可由反馈控制予以校正大大简化了原有前馈控制系统()反馈回路的存在降低了前馈控制模型的精度要求()负荷变化时模型特性也要变化可由反馈控制加以补偿因此系统具有一定自适应能力。()当前馈信号加在反馈信号之前时前馈控制器特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关而且与反馈控制器特性有关。(同学试自己推导)、前馈串级复合控制系统、前馈串级复合控制系统前馈反馈控制系统的局限性:前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制阀这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系转化为物料流量与控制阀膜片压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度对控制阀(执行器)提出了严格要求希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。另外当有多个主要干扰时用前馈反馈不能得到要求的控制质量。前馈串级控制方框图F利用串级控制副回路的特性降低对执行器控制精度要求:同样可根据不变性条件推导Wff的传递函数。式中W’o为副回路等效对象的传递函数:W’o(s)串级控制系统中副回路是一个很好的随动系统可把副回路近似处理为:应用不变性条件:可推导出前馈控制器的传递函数:可见无论哪种形式的前馈控制系统其前馈控制器的传递函数均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性之比并前面加以“负”号。前馈控制系统的应用原则前馈控制系统的应用原则前馈控制系统的应用原则:()对象的滞后或纯滞后(控制通道)较大反馈控制难以满足工艺要求可以采用前馈控制把主要干扰引入前馈控制构成前馈反馈控制系统。()系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅值大且对被控变量影响显著的干扰可采用前馈控制大大提高控制品质。()在决定选用前馈控制方案后当静态前馈能满足工艺要求时不必选用动态前馈。特别注意:特别注意:串级控制系统与前馈反馈控制系统在结构上的区别。串级控制系统前馈反馈控制系统**设计错误的串级控制系统**设计错误的串级控制系统上图所示的系统方框图前馈控制系统的参数整定前馈控制系统的参数整定)Kff的整定(静态放大倍数))T、T的整定)Kff的整定)Kff的整定重要性:如果Kff过小补偿不足。如果Kff过大则相当对反馈控制路施加了干扰将会输出错误的静态前馈输出。Kff的整定方法:()开环整定方法:开环整定是在反馈回路断开使系统处于单纯静态前馈状态下施加干扰Kff由小逐步增大直到被控变量回到给定值此时Kff为最佳值。()闭环整定方法:()闭环整定方法:在FFCFBC运行下整定方法:开关K打开在只有反馈时整定反馈控制器的参数开关K闭合使系统处于前馈反馈状态施加同样的干扰作用由小而大逐渐改变Kff值。系统输出为以下几种情况:参数调整方法:欠补偿,增大Kff,施加同样干扰,看输出过补偿,减小Kff,施加同样干扰,看输出方法:差值法:测量前馈控制器输入(干扰)变化测量控制变化量算比值输入:扰动量输出:控制量步骤:a、开关K打开在只有反馈和初始扰动F时整定反馈控制器的输出记录稳定后扰动量F和反馈控制器输出ub、人为改变扰动大小为F记录扰动量F和稳定后反馈控制器输出uc、按下式计算:d、设置Kff值施加扰动观察输出。如果输出不够理想调整。uF)T、T的整定)T、T的整定看过渡过程曲线调参数的经验法:欠补偿曲线:第一个峰值没有大的减小。当T过小或T过大时如图(a)。过补偿曲线:出现反向的过调输出。当T过大或T过小时如图(b)。补偿合适曲线:第一个峰值明显减小也未出现反向过调输出当T、T分别接近或等于对象控制通道和干扰通道时间常数时如图(c)。动态前馈补偿器T和T的整定:特别说明:由于过补偿往往是前馈控制系统危险之源它会破坏控制过程甚至达到不能允许的地步。相反欠补偿却是寻求合理的前馈动态参数的途径。因此动态参数的整定应从欠补偿开始逐渐强化前馈作用即增大T或减小T直至出现过补偿的趋势再略减前馈作用便可获满意的控制过程。欠补偿曲线:增强前馈补偿作用T↑或T↓。过补偿曲线:减小前馈补偿作用T↓或T↑。直到出现补偿合适曲线。前馈控制系统的工业应用、冷凝器温度前馈反馈复合控制系统、锅炉给水前馈串级三冲量系统

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