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前馈控制系统.doc

前馈控制系统

这片天灰的像哭过_
2017-10-07 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《前馈控制系统doc》,可适用于工程科技领域

前馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统的基本原理前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰(包括外界干扰和设定值变化)并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量使受控变量维持在设定值上。图物料出口温度需要维持恒定选用反馈控制系统。若考虑干扰仅是物料流量则可组成图前Q,馈控制方案。方案中选择加热蒸汽量为操纵变量。Gs图反馈控制图前馈控制前馈控制的方块图如图。系统的传递函数可表示为:Q(S)(),G(S)G(S)G(S)PDffPCQ(S)式中、分别表示对象干扰G(s)G(s)PCPD道和控制通道的传递函数为前馈控图前馈控制方块图G(s)ff制器的传递函数。系统对扰动实现全补偿的条件是:Q时要求()Q(s),,(s),将()式代入()式可得G(S)PD=()G(s),ffG(S)PC满足()式的前馈补偿装置使受控变量不受扰动量Q变,化的影响。图表示了这种全补偿过程。在阶跃干扰下调节作用和干扰作用的响应曲Q,,dc线方向相反幅值相同。所以它们的合成结果可使达到图前馈控制全补偿示意图,理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。显然这种理想的控制性能反馈控制系统是做不到的。这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。在干扰作用下受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。前馈控制的另一突出优点是本身不形成闭合反馈回路不存在闭环稳定性问题因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。(前馈控制与反馈控制的比较图反馈控制方块图图前馈控制方块图由以上反馈控制系统与前馈控制系统方块图可知:)前馈是“开环”反馈是“闭环”控制系统从图上可以看到表面上两种控制系统都形成了环路但反馈控制系统中在环路上的任一点沿信号线方向前行可以回到出发点形成闭合回路成为“闭环”控制系统。而在前馈控制系统中在环路上的任一点沿信号线方向前行不能回到出发点不能形成闭合环路因此称其为“开环”控制系统。)前馈系统中测量干扰量反馈系统中测量被控变量在单纯的前馈控制系统中不测量被控变量而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。)前馈需要专用调节器反馈一般只要用通用调节器由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性且要求较高因此通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器而反馈基本上不管干扰通道的特性且允许被控变量有波动因此可采用通用调节器。)前馈只能克服所测量的干扰反馈则可克服所有干扰前馈控制系统中若干扰量不可测量前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中任何干扰只要它影响到被控变量都能在一定程度上加以克服。)前馈理论上可以无差反馈必定有差如果系统中的干扰数量很少前馈控制可以逐个测量干扰加以克服理论上可以做到被控变量无差。而反馈控制系统无论干扰的多与少、大与小只有当干扰影响到被控变量产生“差”之后才能知道有了干扰然后加以克服因此必定有差。前馈控制系统的几种结构形式(静态前馈由()式求得的前馈控制器它已考虑了两个通道的动态情况是一种动态前馈补偿器。它追求的目标是受控变量的完全不变性。而在实际生产过程中有时并没有如此高的要求。只要在稳态下实现对扰动的补偿。令()式中的S为即可得静态前馈控制算式:G()PD()G(),,ffG()PC利用物料(或能量)衡算式可方便地获取较完善的静态前馈算式。例如图所示的热交换过程假若忽略热损失其热平衡关系可表述为:()QC(,,,),GHpiss式中物料比热Cp蒸汽汽化潜热Hs物料量流量Q载热体(蒸汽)流量Gs换热器入口温度,i换热器出口温度,由()式可解得:Cp()GQ,(,,,)SiHs用物料出口温度的设定值代替上式中的可得,,CP=()QG(,,,)sIHS上式即为静态前馈控制算式。相应的控制流程示于图图换热器的静态前馈控制图中虚线框表示了静态前馈控制装置。它是多输入的能对物料的进口温度、流量和出口温度设定值作出静态前馈补偿。由于在()式中Q与(θθ)是相乘关系所以i这是一个非线性算式。由此构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。应该注意到假若()式是对热平衡的确切描述的话那么由此而构筑的非线性前馈控制器能实现静态的全补偿。对变量间存在相乘(或相除)关系的过程非线性是很严重的假若通过对它们采用线性化处理来设计线性的前馈控制器则当工作点转移时往往会带来很大误差。在化工工艺参数中液位和压力反映的是流量的积累量因此液位和压力的前馈计算一般是线性的。但是温度和成分等参数它们代表流体的性质其前馈计算常以非线性面目出现。从采用前馈控制的必要性来看一般是温度和成分甚于液位和压力。一方面是由于稳定前者的重要性往往甚于后者另一方面温度和成分对象一般有多重滞后仅采用反馈调节质量还会不和要求。增加前馈补偿是改进控制的一条可行途径。对温度和成分控制应考虑采用非线性运算和动态补偿。图中的前馈补偿器输出是作为蒸汽流量回路的设定值。设置蒸汽流量回路是必要的它可以使蒸汽流量按前馈补偿算式()式的要求进行精确跟踪。(前馈反馈控制系统在理论上前馈控制可以实现受控变量的不变性但在工程实践中由于下列原因前馈控制系统依然会存在偏差。)实际的工业对象会存在多个扰动若均设置前馈通道势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰作前馈通道。这样设计的前馈控制器对其它干扰是丝毫没有校正作用的。)受前馈控制模型精度限制。)用仪表来实现前馈控制算式时往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算,s式中包含有纯超前环节或纯微分环节时它们在物理上是不能实现的构筑的(Ts)eD前馈控制器只能是近似的:如将纯超前环节处理为静态环节将纯微分环节处理为超前滞后环节。前馈控制系统中不存在受控变量的反馈也即对于补偿的效果没有检验的手段。因此如果控制的结果无法消除受控变量的偏差系统也无法获得这一信息而作进一步的校正。为了解决前馈控制的这以局限性在工程中往往将前馈与反馈结合起来应用构成前馈反馈控制系统。这样既发挥了前馈校正作用及时的优点又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变量最终检验的长处是一种适合化工过程控制、较有发展前途的控制方法。换热器的前馈反馈控制系统及其方块图分别表示在图和图。图换热器的前馈反馈控制系统图前馈反馈控制系统方块图图所示前馈反馈控制系统的传递函数为G(s)G(s)G(s)(s),ffPCPD=()Q(s)G(s)G(s)G(s)G(s)CPCCPC应用不变性原理条件时要求代入()式可导出前馈Q(s),,(s),控制器的传递函数为G(s)PD()G(s),,ffG(s)PC比较()式和()式可知前馈反馈控制与纯前馈控制实现“全补偿”的算式是相同的。前馈反馈系统具有下列优点:从前馈控制角度由于增添了反馈控制降低了对前馈控制模型的精度要求并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。从反馈控制角度由于前馈控制的存在对干扰作了及时的粗调作用大大减小了控制的负担。(前馈串级控制系统分析图换热器的前馈反馈控制系统可知前馈控制器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接送至控制阀这实际上是将所要求的物料量F与加热蒸汽量F的对应关系S转化为物料流量与控制阀膜头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度对控制阀提出了严格的要求希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。此外还要求控制阀前后的压差恒定否则同样的前馈输出将对应不同的蒸汽流量这就无法实现精确的校正。为了解决上述两个问题工程上将在原有的反馈控制回路中再增设一个蒸汽流量副回路把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠加后作为蒸汽流量控制器的给定值。图前馈串级控制系统图前馈串级控制系统方框图G(s)G(s)CPCG(s)ffG(s)G(s)G(s)Q(s)CPCPD,G(s)G(s)G(s)G(s)(s),CPCCPCG(s)G(s)G(s)G(s)cPCCPCG(s)G(s)G(s)G(s)CPCCPC(),G(s)G(s)cpc主因为串级系统最佳设计则,G(s)G(s),cpc副根据不变性原理当Q(s),,,(s),G(s)PD则()G(s),,ffG(s)PC曲线图前馈控制规律的实施系统设计对可测不可控的干扰变化幅度大且对被调参数影响大工艺指标要求严格工艺要求实现参数间的某种特殊关系即按某一种数学模型来进行调节前馈补偿装置的控制算法通过对前馈控制系统的几种典型结构形式的分析可知前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性。由于工业对象的特性极为复杂这就导致了前馈控制规律的形式繁多但从工业应用的观点看尤其是应用常规仪表组成的控制系统总是力求控制仪表的模式具有一定的通用性以利于设计、运行和维护。实践证明相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。TS,LLP(),,()GSKeffTSfd超前滞后环节TSKP(),K,TSTSffTP()图超前滞后环节的等效图K,,Tf纯滞后补偿,f,S,,sf,,e(),Sf,fs(,),,,fff,S,s?,se,,sfe,,当较小时=(),f,f,,sffs()se,f?TS,LLP()(),,GSKeffTSfd上式所示为带有纯滞后的“超前滞后”前馈控制规律其纯滞后环节按,fS,,,sf()e,,,Sf近似展开。此种“超前滞后”前馈补偿模型已成为目前广泛应用的一种动态前馈补偿模式在定型的DDZ型仪表、组装仪表及微型控制机中都有相应的硬件模块在DCS中也有相应的控制算法。在没有定型仪表的情况下也可用一些常规仪表来组合而成例如用比值器、加法器和一阶惯性环节来实施。这种通用型前馈控制模型在单位阶跃作用下的输出特性为:t,,T()m(t),(,)e,TTf式中<<过补偿>>欠补偿。TT,T,T,,,ffPPTTP相应于<与>的时间特性曲线示于图及。,,图过补偿(<)图欠补偿(>),,由图可见当>时即T>前馈补偿带有超前特性适用于对象控制通道滞后,TfP(这里的滞后是指容量滞后即时间常数)大于干扰通道滞后。而若<时即T<潜,TfP亏补偿带有滞后性质适用于控制通道的滞后小于干扰通道的滞后。

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