前馈反馈控制技术.ppt

前馈反馈控制 前面各部分讨论的控制系统，都是带有反馈的闭环系统。当被控系统受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差，控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生后再进行控制，这样就能更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制就是依据这个思路提出来的。反馈控制的特点 例如图所示为换热器温度控制系统原理框图。图中：Q2为热流体温度；Q1为冷流体温度，q为流体的流量，qD为蒸汽的流量，pD为蒸汽的压力，kv为调节阀开度。5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点上图中，当扰动（物料流量q，入口温度q1，蒸汽压力pD）发生后，引起：5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点 5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-反馈控制的特点反馈控制的特点为：u 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。u无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作。故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种相对“不及时”的控制。前馈控制的特点 例换热器前馈控制。如果该系统中物料流量q是被控量q2的主要扰动。如果q变化频繁且幅值大，对出口温度q2的影响最大。这时可考虑采用前馈控制。5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点u 前馈控制器“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称前馈控制为“扰动补偿”。u 扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。u 前馈控制属于开环控制。因此只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。u 一条前馈只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正作用，而对系统中的其它扰动无校正作用。u 前馈控制器的控制律有时较复杂。5.4.1 反馈控制和前馈控制的特点-前馈控制的特点1、不变性原理：控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定的准确度下无关。任何一个系统，总是希望被控量受扰动的影响越小越好。如图：当f(t)不为零时，该系统的不变性定义为：按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度，有绝对不变性、e不变性和稳态不变性等几种不变性类型。5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-不变性原理 绝对不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)在整个过程中始终保持不变。即e动e静0。如下图所示。图中；f(t)为扰动，y1(t)为由扰动引起的被控参数的变化。y2(t)为前馈控制器对被控参数的影响。y(t)为被控参数的实际变化量。y(t)=y1(t)+y2(t)=0 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计 e不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)的偏差小于一个很小的e值。即|y(t)|e，当f(t)不为零时。稳态不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，虽然被控参数y(t)的动态偏差不为零，但其静态偏差恒为零，即：5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计 5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器2、前馈控制器：前馈控制器的设计依据是不变性原理。前馈控制系统由两部分组成。当扰动发生后，通过扰动通道引起被控量的变化。同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控对象的影响。前馈控制器的典型结构图中，Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数；Dn(s)是前馈控制器的传递函数；G(s)被控对象的传递函数。n为可测不可控的干扰；y为被控参数；假定u10，有：整理得：5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构根据绝对不变性原理：由此得到前馈控制器传递函数为：也可由e不变性或稳态不变性原理来设计前馈控制器。（略）5.4.2 不变性原理与前馈控制器设计-前馈控制器的典型结构 静态前馈控制系统 根据稳态不变性原理设计静态前馈控制器。这种补偿只能在稳态时实现对扰动的补偿。动态前馈控制系统 根据绝对不变性原理设计动态前馈控制器。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-静态和动态前馈控制系统 前馈反馈控制系统（一）前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制；完全补偿难以实现。（1）难以准确地掌握过程扰动通道和控制通道Gn(s)和G(s)的特性。有些过程对象常含有非线性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一的前馈模型难以适应。（2）有些前馈模型Dn(s)难以实现，只能用计算机完成。（3）一个扰动需要一个测量变送装置，干扰多时，造成控制系统庞大。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统（二）前馈反馈控制系统 为了解决上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对扰动的补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用的优点，可组成前馈反馈控制系统。例炼油装置加热炉的前馈反馈控制系统。图中，q为被控量，物料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前馈控制。当qF变化时，通过FT，FFC的信号变化，从而调节阀门的开度，改变q。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统（三）典型前馈反馈控制系统结构图 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统n 典型前馈反馈控制系统控制效果分析（一）图(a)中前馈信号接在反馈控制器之后。可知：在扰动N(s)的作用下，系统的输出为：上式中：右边第一项为干扰对输出量的影响，第二项为前馈校正作用，第三项为反馈校正作用。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统传递函数为：分析(1)：在单纯的前馈控制时，有：与上式相比，前馈反馈控制时干扰对被控量的影响比单纯前馈控制小 倍。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统分析(2)：在前馈反馈控制系统中，根据绝对不变性原理得：这与单纯前馈控制系统时相同分析(3)：在反馈控制系统中，稳态精度与稳定性存在矛盾。而前馈反馈控制能在一定的程度上解决这一矛盾，提高控制品质。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统n 典型前馈反馈控制系统控制效果分析（二）图(b)中前馈信号接在反馈控制器之前。可知：在扰动N(s)的作用下，系统的输出为：传递函数为：在完全补偿条件下（绝对不变性），前馈控制器为：5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈反馈控制系统（四）数字前馈反馈控制算法图中：T为采样周期；Dn(z)为前馈控制器；D(z)为反馈控制器；H(s)为零阶保持器；假设：5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统若采样周期T足够短（并设t=mT，即纯滞后时间t是采样周期T的整数倍），可对微分项离散化，得到差分方程。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统（五）数字前馈反馈控制算法步骤步骤一计算反馈控制的偏差e(k)；e(k)=r(k)-y(k)步骤二计算反馈控制器（PID）的输出u1(k)；5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-数字前馈反馈控制系统步骤三计算前馈控制器Dn(s)的输出un(k)；步骤四计算前馈反馈控制器的输出u(k)；（六）前馈控制系统的稳定性 前馈控制是开环控制，必须要求系统中的每一个环节要稳定。对于无自平衡能力的系统，不能单独使用前馈控制。事实上，只要反馈或串级控制系统的稳定的，则相应的前馈反馈系统或前馈串级控制系统也是稳定的。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈控制系统的稳定性（七）前馈控制的选用原则 实现前馈控制的必要条件是扰动量不可控但可测。可测：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可接受的信号。不可测的信号不能实现前馈。不可控：指扰动量难以通过专门的控制回路予以控制。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则 扰动量变化频繁且幅度较大在扰动量N(s)的作用下，输出量：扰动量N(s)的幅值越大，输出量y(t)越大。这时单纯使用反馈控制，动态偏差可能很大。可以考虑使用前馈控制。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈控制的选用原则 前馈串级控制系统 在实际应用中，常采用前馈串级控制系统结构。如下图所示。图中：D1(s)、D2(s)分别为主、副控制器传递函数；Dn(s)为前馈控制器传递函数；G1(s)、G2(s)分别为主、副对象。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统前馈串级控制能及时克服进入前馈回路和串级副回路的干扰对被控量的影响，因前馈控制的输出不是直接作用于执行机构，而是补充到串级控制的副回路的给定值中，这样就降低了对执行机构动态响应性能的要求。这也是前馈反馈控制被广泛采用的原因之一。5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统设副回路的传递函数为W2(s)。则上图可简化为：则：5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路是一个快速的比例随动系统，可以近似写为：则前馈控制器为：根据绝对不变性原理，要求对N(s)进行完全的补偿，即Y(s)/N(s)=0，则有：5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统 5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子)5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子)5.4.3 前馈控制的几种结构形式-前馈串级控制系统(例子)反馈控制和前馈控制的特点 不变性原理与前馈控制器 前馈控制的几种结构形式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈反馈控制系统 数字前馈反馈控制算法 数字前馈反馈控制算法步骤 前馈控制的选用原则 前馈串级控制系统 本节小结