工业过程控制工程课件第七章__前馈及比值控制

第七章前馈及比值控制第七章前馈及比值控制本章的主要内容:7.1前馈控制系统的原理与特点7.2前馈控制系统的几种结构形式7.3前馈控制规律的实施（系统设计）7.4比值控制系统1第七章前馈及比值控制7.1前馈控制系统的原理与特点本节的主要内容:7.1.1前馈控制和不变性原理P831）前馈控制的概念2）前馈控制的基本原理前馈控制的本原3）不变性原理（前馈控制的理论基础）712前馈控制系统的特点P857.1.2前馈控制系统的特点P851）前馈控制的特点22）前馈控制与反馈控制的比较第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理前馈控制的概念P83前馈控制的概念P83把影响过程控制的主要扰动预先测量出来再Ｆ１Ｆ２Ｆ３要扰动预先测量出来，再根据对象的物质（或能量）平衡条件，计算出适应扰前馈控制器平衡条件，计算出适应扰动的调节量进行调节，使被控变量维持在设定值上。цy控制器对象这种按扰动进行的开环控制方式称为前馈控制。前馈控制系统的方块图3第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理例换热器出口温度控制P83图711例：换热器出口温度控制P83图7.1-1Gff：前馈控制器TC：温度控制器：变送器：变送器工作过程工作过程：加热蒸气通过换热器中排管的外面，把热量传给排管内被加热的物料4量传给排管内被加热的物料。第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理例换热器出口温度控制P83图711例：换热器出口温度控制P83图7.1-1出口温度T的控制：由蒸汽管路上的控制阀来进行引起T变化的因素引起T变化的因素：因素很多，昀主要的扰动是加热物料的流量Q当流量Q发生扰动时，出口温度T就会产生偏差5偏差第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理6第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理用般的控制方案用一般的控制方案：控制器根据温度T的偏差进行控制，当控制器根据温度T的偏差进行控制，当Q发生扰动时，要等T变化后，控制器才开始动作通过控制阀改变加热蒸气流量又要动作，通过控制阀改变加热蒸气流量，又要经过热交换的惯性，才会使T变化。这样，可能使T产生较大的动态误差。7第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理另外种控制方案另外一种控制方案：根据被加热物料流量Q的变化信号，通过一个扰动补偿器来控制调节阀就不必等到流量个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等到流量变化反映到出口温度T变化以后再去操作，而是根据流量的变化立即对调节阀进行操作甚根据流量的变化，立即对调节阀进行操作，甚至可以在T还没有变化前就及时对流量Q的扰动进行补偿进行补偿.以上的控制称为前馈控制，这个扰动补偿器8称为前馈控制器第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理前馈控制系统方块图图前馈控制系统方块图：P84图7.1-2)(G)(G)(G)s(Y（7.1-1）)s(G)s(G)s(G)s()(pcffPDFGff（s）:前馈控制器传函（前馈补偿器）G（）对象干扰通道传函GPD（s）:对象干扰通道传函GPC（s）:对象控制通道传函9第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理10第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理系统对扰动Ｆ的全补偿条件P84系统对扰动Ｆ的全补偿条件：P84当Ｆ（s）0时，要求Ｙ（s）=0（71-3）)(G)s(G)s(GPDff（7.1-3）满足上式的前馈补偿装置能使()不受f())s(G)(pcff满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受f(t)变化影响11第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理全补偿过程P84图713全补偿过程:P84图7.1-3当F阶跃变化时，yc(t)和yd(t)的变化曲线当阶跃变化时yc()和yd()的变化曲线方向相反，幅值相同。合成结果：y(t)=y(t)+yd(t)=cty(t)yc(t)+yd(t)ct连续维持在恒定的设定值上12第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理13第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理不变性原理的理论基础P84不变性原理的理论基础P84“不变性”的概念：控制系统的被控变量与扰动量完全无关。然而，进入控制系统中的扰动必须通过然而，进入控制系统中的扰动必须通过被控对象的内部联系，使被控变量发生偏离给定值的变化。给定值的变化不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控变量的这种影响。14用，消除扰动对被控变量的这种影响。第七章前馈及比值控制7.1.1前馈控制和不变性原理不变性的类型P84不变性的类型P84终不变）在整个过渡过程中始（被控变量）的作用下（扰动量绝对不变性：指系统在tf有一定限制的不变性，误差不变性：指准确度终不变）在整个过渡过程中始（被控变量ty扰动量无关稳态工况下被控变量与稳态不变性：指系统在的不变性在一定误差为或者说与绝对不变性存对其中几个若系统采用了被控变量作用。往往受到若干个扰动的选择不变性：被控变量15就成为选择不变性主要的扰动实现不变性第七章前馈及比值控制7.1.2前馈控制系统的特点前馈控制的特点P85前馈控制的特点：P85①前馈控制是按照扰动作用大小进行控制的，如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制要及时；②前馈控制属于开环控制系统。反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一统是个闭环控制系统，而前馈控制是个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产生控制作用后，对被控变量的影响并不返16生控制作用后，对被控变量的影响并不返回来影响控制器的输入信号（扰动量）。第七章前馈及比值控制7.1.2前馈控制系统的特点前馈控制的特点前馈控制的特点：②前馈控制系统是一个开环控制系统，这一点从某种意义上来讲是前馈控制的不足之处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈控制对被控对象的特性了解必须比反馈控制清楚的多，才能得到一个比较合适的前17馈控制作用。第七章前馈及比值控制7.1.2前馈控制系统的特点前馈控制的特点前馈控制的特点：③前馈控制使用的是视对象而定的专用控制器。一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器是专用控制器，对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的；④前馈控制只能克服可测的扰动量的影响，如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制。18如果扰动量不可测，就不能进行前馈控制第七章前馈及比值控制7.1.2前馈控制系统的特点前馈控制与反馈控制的比较表前馈控制与反馈控制的比较：P85表7.1-1控制的检测的信控制作用的依据号发生时间反馈控被控变量被控变量偏差出现后反馈控制被控变量的偏差被控变量偏差出现后前馈控扰动量的扰动量偏差出现前前馈控制扰动量的大小扰动量偏差出现前19第七章前馈及比值控制7.1.2前馈控制系统的特点前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较：①反馈控制是按被控参数与给定值的偏差进行控制的，如果干扰已经发生，而被控参数都还没有变化，则控制器不会产生校正作用。故反馈控制落后于干扰作用，对干扰的控制不及时。前馈控制是按照干扰作用进行控制的，对干扰的控制是及时的。理论上对干扰影20对干扰的控制是及时的。理论上对干扰影响可以达到完全补偿，使被控参数不变。第七章前馈及比值控制7.1.2前馈控制系统的特点前馈控制与反馈控制的比较前馈控制与反馈控制的比较：前馈控制对时间常数或滞后时间较大、干扰大而频繁的对象有显著效果。而反馈控制对此类对象的控制难以满足要求。②前馈控制是开环控制，其控制效果不通过反馈来检验；馈来检反馈控制是闭环控制，其控制效果要通过反馈来检验。21反馈来检验。第七章前馈及比值控制7.2前馈控制系统的几种结构形式本节的主要内容:7.2.1静态前馈P857.2.2动态前馈P867.2.3前馈－反馈控制系统P87724前馈－串级控制系统P887.2.4前馈串级控制系统P887.2.5多变量前馈P8922第七章前馈及比值控制7.2.1静态前馈控制系统概念指前馈控制器的输出与输入为一个静概念：指前馈控制器的输出与输入为一个静态系统，与时间因子无关。在生产过程中，有时只要求在稳定工况下实现对扰动的补偿这时只要采用静况下实现对扰动的补偿，这时只要采用静态前馈控制即可。前馈静态控制系统实施起来很方便，用一般的比值器或者比例控制器即可，在23生产上获得了广泛应用。第七章前馈及比值控制7.2.1静态前馈控制系统静态前馈控制算式的获取P86图721静态前馈控制算式的获取：P86图7.2-1（7.2-1）PDffKG)0(实例：换热器出口温度控制PCffKG)0(实例：换热器出口温度控制利用物料平衡算式求得较完善的静态前馈算式热平衡算式态前馈算式。热平衡算式：f·Cp（y-y0）=ysHs（7.2-2）24ys=f·Cp·（r-y0）/Hs（7.2-4）第七章前馈及比值控制7.2.1静态前馈控制系统静态前馈控制算式的获取P86图721静态前馈控制算式的获取：P86图7.2-1上式即为静态前馈控制算式（非线性算式即为静态前馈控制算式非线性算式）在化工工艺参数中在化工工艺参数中：液压和压力的前馈计算：线性的液力馈计算线性温度和成分的前馈计算：非线性的25第七章前馈及比值控制7.2.1静态前馈控制系统26第七章前馈及比值控制7.2.2动态前馈控制系统在生产过程中当考虑系统的动态精度时在生产过程中，当考虑系统的动态精度时，静态前馈控制往往不能满足工艺要求，此时需采用动态前馈控制。P86图72-2采用动态前馈控制。P86图7.2-2比较:P84式713和P86式721可见比较:P84式7.1-3和P86式7.2-1，可见静态前馈是动态前馈控制的一种特例。动态前馈可以看作静态前馈和动态前馈补偿动态前馈可以看作静态前馈和动态前馈补偿两部分，它们结合在一起，可以进一步提高控制过程的动态品质27制过程的动态品质。第七章前馈及比值控制7.2.2动态前馈控制系统1）讨论重点针对非线性过程在静态非线性1）讨论重点：针对非线性过程在静态非线性前馈基础上添加动态补偿的问题。2）方法：工程设计方法对于非线性过程，要通过非线性状态对于非线性过程，要通过非线性状态方程来求取非线性动态前馈补偿器是比较困难的比较困难的。3）步骤：采用工程设计方法，设计非线性28动态前馈控制器第七章前馈及比值控制7.2.2动态前馈控制系统3）步骤3）步骤：①按物料平衡和能量平衡关系求取对象静态模型（一般为非线性关系），进而求取静态前馈模型（一般为非线性模型）；②逐个测取对象各通道的动态特性，分成静态部分和动态部分。在设计中，需添加的动态补偿环节仅是传函的动态部分；29第七章前馈及比值控制7.2.2动态前馈控制系统3）步骤3）步骤：③将静态前馈模型中的非线性环节线性化：将乘法器线性化后组成的静态前馈补偿器将乘法器线性化后组成的静态前馈补偿器与线性化后的被控过程相结合，组成一个具有静态前馈补偿的线性系统；具有静态前馈补偿的线性系统；④在线性化后的静态前馈模型基础上，结合对象各通道的动态部分，按全补偿要求添对象各通道的动态部分，按全补偿要求添加动态补偿环节；⑤将线性化处理后的环节恢复成原有的非线30⑤将线性化处理后的环节恢复成原有的非线性环节。第七章前馈及比值控制7.2.2动态前馈控制系统4）注意的问题4）注意的问题前馈控制器中有几个环节用了传递函数表达式，它们仅表示该环节的输入输出信号存在线性动态关系，并不意味着整个前馈方框用传递数来表示方框可用传递函数来表示；前馈控制器是非线性的（因包括乘法环节）对非线性过程不能应用传递函数来描述。31第七章前馈及比值控制7.2.3前馈-反馈控制系统前馈控制的局限性P87前馈控制的局限性：P871）前馈控制系统存在偏差①实际的工业对象会有多个扰动，若都设置前馈通道，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扰动加前馈控制。这样的前馈控制器对其它扰动是没有校正作用的；②受前馈控制模型精度限制32②受前馈控制模型精度限制第七章前馈及比值控制7.2.3前馈-反馈控制系统前馈控制