14 4-2 前馈控制.pptx

第1页：前馈控制的基本概念

前馈控制的概念早就为人们所熟知，由于人们对他的认识不足和自动化工具的局限性，因此在应用中出现了一些困难就被抛弃了，近年来，前馈控制又被重视起来。4.2.1前馈控制的基本概念反馈控制—按被控量的偏差进行控制，控制作用落后于扰动，是不及时的控制前馈控制—按照扰动量的大小进行控制，控制及时，但它是开环控制。这是与反馈控制的基本区别。当扰动一出现，就能根据信号去控制操纵量，及时补偿扰动对被控量的影响

第2页：反馈控制的特点与换热器示例

反馈控制的特点与换热器示例

换热器温度控制系统示意图，标出冷热流体温度、蒸汽流量与温度调节阀门等变量。

反馈控制的特点例：换热器温度控制系统原理示意图系统框图2θ2热流体温度

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第3页：负反馈控制过程

当扰动发生后－－将引起热流体出口温度发生变化－－使其偏离给定值－－随之温度调节器按照被控量偏差值的大小和方向产生控制作用－－通过调节阀的动作改变加热用蒸汽的流量－－从而补偿扰动对被控量的影响。负反馈过程：

第4页：负反馈控制的五个特点

)反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差出现，也就没有控制作用了。2)是一种“不及时”的控制。3)构成闭环，存在一个稳定性的问题。4)反馈控制可消除多种扰动对被控量的影响。5)调节器的控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。4负反馈特点：

第5页：前馈控制的原理与特点

．前馈控制原理与特点框图换热器前馈控制系统5控制过程：主要扰动－物料流量q；变化频繁，变化幅值大，且对出口温度θ2的影响最为显著；通过测量物料流量q，并将流量信号送到前馈补偿器；前馈补偿器根据其输入信号，按照一定的运算规律操作调节阀门；从而改变加热用蒸汽流量qD，以补偿物料流量q对被控温度的影响。

第6页：前馈控制系统框图

前馈控制系统框图

前馈系统框图，标出前馈控制器、扰动通道与控制通道的传递函数及各信号含义。

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第7页：全补偿条件与前馈控制器模型

全补偿条件与前馈控制器模型

全补偿条件页，给出Y(s)/F(s)=0的推导并得出前馈控制器等于扰动通道与控制通道之比的负值。

说明：扰动作用和前馈控制补偿装置依据扰动作用而产生的校正作用相互补偿

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第8页：前馈控制的局限性

前馈控制器的局限性1扰动必须是可测量的，扰动模型需很准确。2只能克服一个扰动的影响（开环的），实际扰动不止一种。（3）依据具体过程来确定。过程控制通道特性的非线性及动态变化时，就不能完全补偿扰动的影响。结论：前馈控制做到全补偿难以实现。因此，在很多场合下，都是将前馈控制与反馈控制结合在一起，组成复合系统，可取的较好效果。m80W(s)W(s)－Wf(s)

第9页：静态前馈与动态前馈

静态前馈与动态前馈

前馈类型页，对比动态前馈用专用调节器与静态前馈按静态放大倍数之比补偿。

前馈控制系统的结构类型1.静态动态前馈控制动态：如前所述即为动态前馈补偿选用专用的前馈调节器

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第10页：前馈—反馈复合控制系统

前馈—反馈复合控制系统加热炉出口温度前馈－反馈控制

• 克服局限性，将前馈、反馈两者结合起来；
• 发挥了前馈作用可及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点；
• 降低系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上易于实现；被控量燃料油进料扰动

第11页：前馈的两种结构方式

当进料量发生变化时，不需要等到偏差出现，就可以及时改变燃油量，从而使温度偏差大为降低，提高控制质量。一般前馈有两种结构方式：a)b)

第12页：前馈—反馈结构a的分析

前馈—反馈结构a的分析

结构a分析页，推导出复合系统扰动影响为单纯前馈时的1/(1+WcW0)。

分析a)：Y(s)Wf(s)F(s)Wm(s)W0(s)F(s)Wc(s)W0(s)Y(s)Y(s)Wf(s)Wm(s)W0(s)F(s)1Wc(s)W0(s)fm0F(s)Y(s)W(s)W(s)W(s)fW(s)W0(s)Wm(s)单纯前馈控制因此

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第13页：前馈—反馈结构b的分析

前馈—反馈结构b的分析

结构b分析页，说明此时前馈控制器还与反馈控制器的控制规律有关。

分析b)：Y(s)Wf(s)Wc(s)W0(s)Wm(s)F(s)1Wc(s)W0(s)要实现完全补偿：同样

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第14页：前馈—串级复合控制系统

前馈—串级复合控制系统在过程控制中，有的生产过程常受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响，而生产过程对被控参数的控制精度和稳定性要求又很高，这时可考虑采用前馈—串级控制系统。例：加热炉出口温度控制系统

第15页：加热炉前馈—串级系统

被控量燃料油进料扰动副调节器前馈控制器主调节器加热炉出口温度前馈－串级控制系统副参数

加热炉方案图，标出主调节器、副调节器与前馈控制器及燃料油与进料扰动的位置。

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第16页：前馈—串级系统的特点

由串级系统分析可知，系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制能力；

• 而前馈控制能克服进入主回路的系统主要扰动；
• 由于前馈控制器的输出不直接加在调节阀门上，而是作为副调节器的给定值，因而可降低对调节阀门特性的要求；
• 实践证明，这种复合控制系统的动、静态品质指标均较高。

第17页：前馈—串级系统框图

前馈—串级系统框图

前馈—串级框图，给出副回路传递函数与主回路各环节的联接关系。

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第18页：等效简化框图与全补偿条件

等效简化框图与全补偿条件

等效框图页，给出全补偿下前馈控制器由扰动通道与主过程特性之比决定。

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第19页：副回路为快速随动系统

副回路为快速随动系统

简化分析页，说明副回路工作频率远高于主回路时其闭环传递函数近似为1。

当副回路的工作频率远大于主回路工作频率时

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第20页：扰动量的可测性要求

2.3前馈控制系统的选用与稳定性1.实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性

• “可测”是指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号；
• 有些参数，如某些物料的化学组成、物理性质等至今尚无工业自动化仪表能对其进行在线测量，对这类扰动无法实现前馈控制；

第21页：扰动量的不可控性

扰动量“不可控”这个概念常被混淆，实际指的是扰动量与控制量之间的相互独立性，即控制通道传函W0(s)与扰动通道传函Wf(s)之间无关联，从而控制量无法改变扰动量的大小，即扰动量的不可控；

• 扰动量F1(s)(被加热物料的流量和初温)与扰动量F2(s)(燃料热值的变化、压力、流量的变化)符合不可控性，因而可以采用前馈控制；
• 但扰动量F3(s)(烟囱挡板位置的改变、抽力的变化)则不然，它的变化将影响炉膛传递函数，即影响控制通道W0(s)，因而不能采用前馈控制。

第22页：前馈系统的稳定性

前馈控制系统的稳定性动态过程稳定性是控制系统能够正常运行的必要条件。线性控制系统的稳定性理论已经发展很成熟，它们同样适用于线性前馈控制系统的稳定性分析。众所周知，前馈控制属于开环控制方式，因此，在设计前馈控制系统时，对系统中每一个组成环节的稳定程度都必须予以足够的重视。

第23页：无自平衡能力的生产过程

在实际的生产过程中往往存在着无自平衡特性。如汽鼓锅炉水位控制系统中控制通道特性就具有无自平衡能力；

• 又如在大多数化学反应过程中常伴有放热反应，而放热反应的速度随着温度的升高而加剧，致使放热量也随之增加，其结果又使温度升高，因此这类具有温度正反馈性质的化学反应器(聚合釜)自身无自平衡能力。

第24页：复合系统稳定性的结论

对于无自平衡能力的生产过程，通常不能单独使用前馈控制方案。但对于开环不稳定的过程，可以通过调节器的合理整定，使其组成的闭环系统在一定范围内稳定；

• 事实上，对于前馈—反馈或前馈—串级控制系统，只要反馈系统或串级系统是稳定的，则相应的前馈—反馈或前馈—串级控制系统也一定是稳定的；
• 这也是复合系统在工业应用中取代单纯前馈控制的重要原因之一。

第25页：前馈控制系统的工程整定

2.4前馈控制系统的工程整定

• 生产过程中的前馈控制一般均采用前馈：反馈或前馈—串级复合控制系统；
• 复合控制系统中的参数整定要分别进行，可先按前述原则，整定好单回路反馈系统或串级系统；
• 这儿主要讨论前馈控制器参数的整定方法。前馈补偿模型由过程扰动通道及控制通道特性的比值决定；m1201W(s)W(s)Wf(s)

第26页：工程整定法的处理思路

但因过程特性的测量精度不高，不能准确地掌握扰动通道特性Wf(s)及控制通道模型W0(s)，故前馈模型的理论整定难以进行，目前广泛采用的是工程整定法；

• 相当数量的化工、热工、冶金等工业过程的特性都是非周期、过阻尼的。因此，为了便于进行前馈模型的工程整定，同时又能满足工程上一定的精度要求，常将被控过程的控制通道及扰动通道处理成含有一阶或二阶容量时滞，必要时再加上一个纯滞后的形式。

第27页：前馈模型的一般形式

前馈模型的一般形式

前馈模型页，给出含静态前馈系数、时间常数与纯滞后之差的传递函数表达式。

分别为控制通道及扰动通道时间常数

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第28页：静态参数KM的确定

工程整定法是在具体分析前馈模型参数对过渡过程影响的基础上，通过闭环实验来确定前馈控制器参数的。1．静态参数KM的确定KM闭环整定法框图15KM是前馈控制器中的一个重要参数。静态FFC—FBC系统，在整定好闭环PID控制系统的基础上，闭合开关S，得到闭环试验过程曲线。

第29页：闭环整定法试验曲线

闭环整定法试验曲线

试验曲线页，对比欠补偿、过补偿与严重过补偿及补偿合适时的过渡过程形状。

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第30页：动态参数的确定

动态参数的确定

动态参数整定页，说明在静态前馈整定好后闭合动态复合系统再确定T1与T2。

使系统处于静态FFC—FBC方案下运行

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第31页：T1与T2的整定方法

先使前馈控制器中的动态参数T1=T2。，在f(t)的阶跃扰动下，由被控量y(t)的变化形状判断T1=T2应调整的方向。

• 实验时，先从过程欠补偿情况开始，逐步强化前馈补偿作用(增大T1或减小T2)，直到出现过补偿的趋势时，再稍微削弱一点前馈补偿作用，即适当地减小T1或增大T2，以得到补偿效果满意的过渡过程，此时的T1、T2值即为前馈控制器的动态整定参数。

第32页：T1与T2的实验过程

选取了T1、T2的实验过程

• ①为单回路反馈控制下被控参数的变化，
• ②表示采用动态FFC：FBC时被控参数的超调与采用FBC时的方向相同，这说明此时为欠补偿过程。
• ③的情况时，说明已达到了过补偿的控制过程，此时应减小前馈控制器参数T1(或加大T2)，以免使过渡过程的反向超调进一步扩大。

第33页：过程时滞τ的影响

过程时滞τ的影响

• τ值是过程扰动通道及控制通道纯时间滞后的差值。它反映着前馈补偿作用提前于扰动对被控参数影响的程度。
• 当扰动通道与控制通道纯滞后时间相近时，相当于提前了前馈作用，增强了前馈的补偿效果。
• 而过于提前的前馈作用又易引起控制过程发生反向过调的现象，①扰动对被控量的影响②前馈补偿作用③系统的控制过程

第34页：前馈控制系统的应用

前馈控制系统可以用来补充单回路反馈控制及串级控制所不易解决的某些控制问题，因而在石油、化工、冶金、发电厂等过程控制中取得了广泛的应用。随着目前微型计算机的发展，动态前馈控制已不难实现。目前，前馈—反馈、前馈—串级等复合控制已成为改善控制品质的重要方案。例：1.冷凝器温度前馈—反馈复合控制系统2.锅炉给水前馈—串级三冲量系统

第35页：冷凝器温度控制的工艺

许多生产过程中都有冷凝设备，它的作用是把中间产品冷凝成液体，再送往下一个工段继续加工。这种冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度，控制量则为冷却水的流量。

• 其工作原理是：从低压汽轮机出来的乏蒸汽经冷凝器以后，变成温水，再由循环泵送至除氧器，经除氧处理后的温水，可继续作为发电锅炉的给水。例1冷凝器温度前馈—反馈复合控制系统

第36页：冷凝器前馈—反馈方案

系统采用前馈—反馈复合控制方式，利用乏蒸汽被冷凝后的温水温度信号控制冷却水的阀门开度，即由温度变送器(TT)、PI调节器(TC)、冷却水阀门及过程控制通道构成反馈控制系统。

• 乏蒸汽流量是个可测不可控且经常变化的扰动因素，故对乏蒸汽流量进行前馈控制，使冷却水流量跟随乏蒸汽流量的变化而提前变化，以维持温水的水温达到指定范围。

第37页：冷凝器系统原理图与框图

冷凝器系统原理图与框图

冷凝器系统原理图，给出水温、乏蒸汽流量与给定信号的联接关系及对应框图。

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第38页：锅炉给水三冲量系统

例2锅炉给水前馈—串级三冲量系统

• 锅炉水位控制主要是为了保证锅炉的安全运行，为此必须维持锅炉汽包水位基本恒定(稳定在允许范围内)。
• 显然，在锅炉给水自动控制中，应以汽包水位h作为被控参数。
• 而引起水位变化的扰动量很多，如锅炉的蒸汽量qD、给水流量qW、炉膛热负荷(燃料量)及汽包压力等。
• 但其中给水流量的改变不但会影响到水位的变化，更主要的是可以起到稳定汽压的作用，故常把它作为锅炉燃烧控制系统中的一个控制量。

第39页：蒸汽负荷的前馈补偿

蒸汽量qD是锅炉的负荷，显然这是一个可测而不可控的扰动，因此常常对蒸汽负荷考虑采用前馈补偿，以改善在蒸汽负荷扰动下的控制品质。

• 最后，从物质平衡关系可知，为适应蒸汽负荷的变化，应以给水流量qW为控制变量。

第40页：三冲量的构成

蒸汽量水位主参数副参数前馈三冲量：水位、给水、蒸汽7给水量锅炉给水前馈—串级三冲量系统

三冲量页，说明系统包含水位、给水流量与蒸汽流量三个信号及各自作用。

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第41页：三冲量系统的原理

汽包水位信号h是主信号，也是反馈信号，在任何扰动引起汽包水位变化时，都会使调节器动作，以改变给水阀门开度，使汽包水位恢复到允许的波动范围内。因此，以水位h为被控量形成的外回路能消除各种扰动对水位的影响，保证汽包水位维持在工艺所允许的变动范围内。

• 蒸汽流量是系统的主要干扰，而应用了前馈补偿后，就可以在蒸汽负荷变化的同时按准确方向及时地改变给水流量，以保证汽包中物料平衡关系，从而保持水位的平稳。另外，蒸汽流量与给水流量的恰当配合，又可消除系统的静态偏差。原理

第42页：给水流量信号的作用

给水流量信号是内回路反馈信号，它能及时地反映给水量的变化，当给水调节阀门的开度没有变化，而由于其它原因使给水管压力发生波动引起给水流量变化时，由于测量给水量的孔板前后差压信号反应很快，时滞很小(约为1～3s)，故可在被控量水位还未来得及变化的情况下，调节器即可消除给水侧的扰动而使过程很快地稳定下来，因此，由给水量信号局部反馈形成的内回路能迅速消除系统的内部扰动，稳定给水量。

第43页：锅炉水位前馈—串级框图

锅炉水位前馈—串级框图

锅炉水位前馈—串级框图，标出水位主参数、给水副参数与蒸汽前馈通道。

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