前馈控制系统
赵景玉
沈阳化工学院
2003/8/20
2.2前馈控制系统
本节掌握要点及要求
1、前馈控制的基本原理
2、前馈,反馈控制系统、串级前馈系统的组成原理、应用场合及加法器符号判定
3、前馈控制、串级前馈系统方块图的画法
4、前馈控制模型的实施
本章复习 思考及作业
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
2,2.1前馈控制系统基本原理
1. 前馈控制系统的引入
(1)反馈控制系统
,) 定义:具有被控变量负反馈的闭环调节系统
,) 特点:?按偏差进行调节
?调节量小，失调量小
?能随时了解被控变量变化情况
?输出影响输入(闭环)
,)存在问题:?必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用
?调节不及时，被控变量总是变化的
2、前馈控制系统:
,)问题提出:反馈系统最大缺点，在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节(或偏差即将形成)那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。
,)前馈调节系统:
?定义:是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
2)前馈控制原理
(1)原理:根据不变性原理，即被控变量与干扰量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立
Y(S)/F(S)=0 ，由于F(S) 0，所以只有Y(S)=0.
(2) 推导: Y(S)/F(S)=GPD(S)+GPC(S)•Gff(s)=0 所以Gff(s)=- Gpd(S)/Gpc(s) Gff(s)=- 干扰通道对象特性/控制通道对象特性
负号;表示控制通道与干扰通道作用相反。
所以前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道对象特性 4) 前馈控制系统特点
?开环控制系统:F??(Gff)??Gv??G蒸???T??T ?按干扰进行控制，控制及时，精度高。
?仅仅对前馈量有控制作用(对T不起作用)
?前馈控制器为多用控制器(根据对象特性获得) ?不能随时了解被控变量变化情况
2.2.2前馈控制系统几种类型
1. 静态前馈
Gff(s)=- Gpd(S)/Gpc(s) 这是一个动态前馈模型，它追求一完全补偿。即前馈控制器的输出是干扰量和时间的函数
(1) 静态前馈:前馈控制器输出只是干扰量的函数，与时间无关。
(2) 特点及应用:
特点:?结构简单实施方便(比值器，加法器)
应用:?动态前馈实施比较困难时，生产要求不高
?对象特性(动态特性)相近
(3)静态前馈传函的获取
?可实际测试
?有条件情况可进行理论建模
以换热器为例:
根据热量平衡:F• CP(T1-T2)=GS• HS
式中: CP为物料比热; HS蒸汽汽化潜热; GS蒸汽流量 ; T1工艺要求加热的温度对应工艺设定值( T1 sp)。 GS= F• CP/ HS ( T1 sp -T2)
由该式组成的静态控制规律可实现对 F、T2的静态补偿。
2. 动态前馈
?定义:前馈调节器输出不仅是干扰量的函数，而且也是时间的函数，校整作用不仅克服静态误差，而且消除动态误差。
3. 前馈反馈系统
1) 前馈控制系统存在问题:
从理论上前馈系统可达到完全补偿，但实际上是做不到。
?对象特性是千变万化，不同设备对象特性不同，同一设备(对象)在不同操作条件下，具有不同特性(非线性)(对象特性是变化的)
?工业对象干扰多，为保证精度必须把全部干扰包括进去，造成投资大，参数整定繁。
?前馈系统只对前馈量有补偿作用，对未前馈量的干扰毫无作用
?受前馈模型精度限制，对象复杂，前馈模型精度不够，在不同情况下，难以保证用一个固定模型获得良好的品质指标。
?有些参数无法测量，因此，也无法前馈。
?因仪表实施时，前馈算式往往都作近似处理，如
等
?由于开环很难知道补偿的效果。
3.前馈反馈系统:
为解决上述问题，组成前馈—反馈的复合控制系统
?用前馈校正作用及时，克服主要干扰
?利用反馈具有克服多种干扰能力，失调量小，随时了解被控量变化情况。
前馈—反馈控制系统框图如下:
(1) 前馈反馈控制系统模型的建立
FFC—FBC系统实质上是反馈控制和前馈控制输出叠加，是按扰动控制和反馈控制之和。
T1(S)=F(S) • GpD(S)+F(S) •Hm2(s) •Gff(s) •Gv(s) •Gpc(s) - T1(S) • Hm1(s) • Gc1(s) • Gv(s) • Gpc(s)
设: Hm1(s) , Hm2(s) , Gv(s) 则
结论:1)前馈—反馈控制系统其动态模型与单纯动态模型一致
2)在同样干扰作用下，前馈—反馈受控变量的变化要比单纯前馈要小(1/(1+Gpc?Gv?Gc1?Hm1)倍
(6)前馈 –反馈系统的优点
1)大大简化原有系统，只要对主要干扰进行前馈，次要干扰用反馈进行克服，保证控制精度，节约了投资。
2)由于反馈系统存在，降低了对前馈模型要求，因受干扰时，降低了对受控变量的影响，缩小了(1/(1+Gc(s)?Gv(s)?Gpc(s)?Hm(s))倍
3)提高了控制质量。
4.串级前馈控制系统
为克服调节阀的变差(滞环)，阀前后压差变化，引起阀和流量变化(如蒸汽压力变化)增加一个流量付环。
结论:串级前馈模型基本上同单纯前馈系统。
2.2.3前馈模型的实施
1.用模拟仪表实施
(1)实施中存在如下问题:
1)许多工艺对象不清楚
2)对象反应机理复杂，导致前馈模型复杂，种类繁多。
(2)用仪表实施考虑:
1)力求仪表模式通用性
2)便于简化对象特性，在制造上能满足工艺精度要求，实施简单的前馈控制器。
2.各环节的实施
化工、热工对象都具有非周期性和过阻尼特性，因此都可以用一阶和二阶纯滞后表示。
前馈模型由三不分组成:
结论:1、T1›T2控制通道时间常数大于干扰通道时间常数,
前馈补偿环节起超前作用。
2、T1
公式
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推导
2(前馈—反馈控制系统计算机实施步骤:
?计算反馈控制偏差
e(kt)=R(kt)-Y(kt) (?e(kt)=e(kt)-e(kt-t))
?计算反馈控制器输出
?P(KT)=KP. ?e(KT)+Kie(KT)+Kp[?e(KT)-?e(KT-T)]
P(KT)=P(KT-T)-?P(KT)
?计算前馈控制器输出 M(KT)
?M(KT)=a1?M(KT-T)+b1?F(KT-T)-LT)+b2?F(KT-LT-T)
M(KT)=M(KT)+P(KT)
3(前馈调节系统应用场合:
(1)系统中存在着可测不可控，幅变化大，且交换频繁，对受控变量影响大，反馈难以克服，工艺要求严格。如精馏塔进料与塔顶温度前馈,反馈系统控制系统。
(2) 控制通道滞后大，反馈不及时，为提高质量引进前馈，如加热炉原油流量与加热炉原油温度系统前馈,反馈系统。
(3) 工艺上要求实现某种关系，按数量模型进行控制，把干扰量入模型当中去。从模型中求出操纵变量，可消除干扰对受控变量影响，如:换热器静态前馈。
2.2.5前馈调节系统的系数整定
1.前馈调节系统中加法器符号判定方法
根据工艺条件和系统结构判定:
(1)系统结构:主要指阀的开闭形式及调节器正反作用
(2)工艺条件:即设置前馈目的，系统动作必须符合其目的。
?阀的开闭形式(气开)
?、调节器正反作用(反作用)
2、加法器符号
?加法器运算式:Pc=a?b?c
?一般选择反馈回路a为正
?c是抵消b与b大小相等，符号相反
?b先假设一个正负符号，符合
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
意图，假设正确，否则为相反
设b为正目的;原油?应打开阀门让Gff增加G??Gff??b??
Pv??G燃??符合设计意图
?c符合b大小相等，方向相反:?c为负即Pc=a+b-c
3.参数整定
如果前馈模型很准确，无须整定，由于测试不准所以进行整定
(1)静态前馈整定方法:
1)开环整定法:Kf大小决定阀门的位置，因此对Kf选择决定补偿部分是否合适
具体步骤:?待系统稳定(用反馈)Y=Y0
?加法器各系数放置合适 Pc=a+b-c 用c抵消b值
?断开反馈回路成开环
?施加干扰F，使Yo′?Yo
?调整Kf值，使Yo′?Yo为正
?Kf为所求
注意一点:整定时，其它干扰应为次要地位，尽量平稳，否则影响测量准确性
(2)闭环整定法:
因为有系统当断开反馈时，由于失去反馈控制，易造成事故，而用闭环整定法
具体做法:
1)断开前馈回路，用反馈使系统稳定y=yo调节器 输出po 2)实加?G，被控变量变成yo′，通过反馈使y=yo调节器输出Po′，级下?G，Po′。
3) Kf为所求
注意:反馈阀动大小，相当于前馈输出大小一样，对?G干扰前馈使阀动作(Po′-po)
(3)前馈—反馈整定法
,) 系统稳定后，加上静态前馈系数，施加干扰
,) 调整Kf，由小到大，知道合适为止
注意:一般Kf应小点，不要造成过补偿，过补偿造成品质下降
b、动态前馈补偿整定法
目前对动态前馈整定应无一套整定方法，一般从具体实际中找
规律
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