68前馈控制系统

前馈控制系统戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2001/10/02内容前馈控制的由来与原理静态前馈控制系统前馈控制系统的动态补偿前馈反馈控制系统仿真举例结论换热器控制方案举例反馈控制方案TC蒸汽凝液工艺介质cp,RF,T1T2HV,RV蒸汽凝液工艺介质cp,RF,T1T2HV,RVFFRF前馈控制方案前馈控制的思想D1Dn前馈控制器对象uyD1，……，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。换热器前馈控制方块图本例中，d(t)、u(t)、y(t)分别表示工艺介质流量（外部干扰）、蒸汽流量（控制变量）与工艺介质的出口温度（被控变量）；GFF(s)为前馈控制器的动态特性；GYD(s)、GYC(s)分别为干扰通道与控制通道的的动态特性。控制目标：0)()()()()(sGsGsGsDsYYCFFYDGYD(s)＋＋d(t)GFF(s)GYC(s)y(t)u(t)前馈不变性原理动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s)=0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0)=0，或者说y(t)在稳态工况下与扰动量d(t)无关。静态前馈控制控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。静态前馈控制方式：线性静态前馈：非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。0)()()(sYCYDFFsGsGsG非线性静态前馈控制蒸汽凝液工艺介质T1T2RVRFFC前馈控制器T2spRVsp稳态平衡关系：VVFpRHTTRc)(12VpvspFvspVHckTTRkR/,)(12前馈控制的动态补偿GYD(s)＋＋d(t)GFF(s)GYC(s)y(t)u(t)讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为)()()()()(sgsgKKsGsGsGYCYDYCYDYCYDFF这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。非线性系统的动态前馈补偿)()(sgKsGFFFFFF对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：,YCYDFFKKK)()()(sgsgsgYCYDFF其中对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。换热器的前馈控制器T1RF∑×T2spRVsp＋－kv静态前馈控制器T1RF∑×T2spRVsp＋－kv)()(12sgsg)()(13sgsg动态前馈控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道特性的动态部分。）练习：前馈控制系统设计举例换热器对象特性描述GvRVsp111sTd112sTdRFT1RVRF'T1'scesTt11RV''''12*FVpvRRcHTTT2前馈控制系统设计举例（续）假设（1）对象参数：Td1=2分；Td2=3分；Tc=4分,τ=2分；kv=cp/Hv=0.00125。（2）T1、T2、RV、RF的测量范围分别为0~50℃、0~400℃、0~2T/hr、0~20T/hr。（3）蒸汽量PID回路的动态过程可忽略。试设计该对象的前馈控制器，要求采用非线性静态前馈+动态补偿形式；并画出该系统的完整方框图。蒸汽凝液工艺介质T1T2RVRFFC前馈控制器T2spRVsp前馈控制与反馈控制的比较前馈控制反馈控制扰动可测，但不要求被控量可测被控量直接可测超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题）按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）开环调节，无稳定性问题闭环调节，存在稳定性问题系统仅能感受有限个可测扰动系统可感受所有影响输出的扰动对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确对通道模型要求弱，大多数情况无需各道模型对时变与非线性对象的适应性弱对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强换热器的前馈反馈控制方案1蒸汽凝液工艺介质T2RVRFFCT2spRVspTCT1∑∑×＋－k1前馈控制器换热器的前馈反馈控制方案2蒸汽凝液工艺介质T2RVRFFCT2spRVspTCT1∑×＋－k1前馈控制器特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。换热器反馈控制系统举例(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)换热器静态前馈控制系统(参见模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)换热器前馈反馈控制系统#1(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)换热器前馈反馈控制系统#2(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)结论引入前馈控制的可能应用场合：（1）主要被控量不可测；（2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重，常规反馈控制系统难以满足要求。应用前馈控制的前提条件：（1）主要干扰可测；（2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近；（3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。自学要求掌握前馈控制概念与基本原理掌握非线性静态前馈控制的设计方法3种动态前馈控制的设计思想与实施步骤掌握前馈控制系统的表示方法掌握常用的控制系统（单回路、串级、前馈等）的simnlink仿真方法