前馈-反馈控制系统的优点电子教案.ppt

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1、第第5 5章章 复杂复杂(fz)(fz)控制系统控制系统 5.1串级控制系统串级控制系统(knzhxtn)5.2前馈前馈-反馈反馈(fnku)复合控制系统复合控制系统5.3大迟延控制系统大迟延控制系统5.4比值控制系统比值控制系统5.5解耦控制系统解耦控制系统1第一页，共44页。电厂锅炉过热汽温控制系统电厂锅炉过热汽温控制系统分析分析被控量：主汽温被控量：主汽温1控制手段：减温器的喷水控制手段：减温器的喷水主汽温对象特点：滞后和惯主汽温对象特点：滞后和惯性较大性较大采用采用(ciyng)单回路控制单回路控制品质不好品质不好导前信号导前信号导前信号导前信号(xnho)(xnho)125.1串级控

2、制系统串级控制系统(knzhxtn)一.串级控制系统的组成原理2第二页，共44页。副回路副回路副回路副回路(hul)(hul)（内回路（内回路（内回路（内回路(hul)(hul)）：粗调）：粗调）：粗调）：粗调主回路主回路主回路主回路(hul)(hul)（外回路（外回路（外回路（外回路(hul)(hul)）：细调）：细调）：细调）：细调主参数（主变量）：主参数（主变量）：主参数（主变量）：主参数（主变量）：11副参数（副变量）：副参数（副变量）：副参数（副变量）：副参数（副变量）：22给定值给定值内扰内扰副变量副变量PI1PI2执行器执行器阀门阀门减温器减温器过热器过热器变送器变送器变送器变送

3、器主变量主变量主调主调(zh dio)副调副调副对象副对象(duxing)主对象主对象 3第三页，共44页。二二.串级控制系统串级控制系统(knzhxtn)的分析的分析副回路副回路(hul)化简为等效化简为等效副对象副对象（一）副回路对控制品质（一）副回路对控制品质(pnzh)的影响的影响1.减小了时间常数减小了时间常数Gc1Gc2Gm2GfG02G01Gm1Gc1G02G01Gm14第四页，共44页。2.提高提高(tgo)了系统的工作频率了系统的工作频率串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统(knzhx(knzhxtn)tn)简化图简化图简化图简化图单回路单回路(hul)控制系控制

4、系统统Gc1G02G01Gm1Gc1GfG02G01Gm15第五页，共44页。（二）副回路（二）副回路(hul)的抗干扰能力的抗干扰能力Gc1Gc2Gm2GfG02G01Gm1Gc1Gc2Gm2GfG02G01Gm11/Gc2G026第六页，共44页。1.主回路是定值控制系统主回路是定值控制系统(kn zh x tn)，副回路是随动控制系统，副回路是随动控制系统(kn zh x tn)，其给定值随主控制器的输出而，其给定值随主控制器的输出而变化的。变化的。2.副对象的等效放大倍数基本不变。副对象的等效放大倍数基本不变。（三）副回路（三）副回路(hul)对负荷变化的对负荷变化的适应性适应性7第七

5、页，共44页。串级与单回路串级与单回路(hul)的比较的比较8第八页，共44页。串级控制系统的特点：串级控制系统的特点：(1)由于副回路的存在，改善了对象的动态特性。由于副回路的存在，改善了对象的动态特性。减小了对象的时间常数，提高了系统的工作频减小了对象的时间常数，提高了系统的工作频率，快速性变好。率，快速性变好。(2)对进入副回路的扰动具有很强的克服能力，对进入副回路的扰动具有很强的克服能力，对进入主回路的扰动也有一定克服能力。对进入主回路的扰动也有一定克服能力。(3)对负荷对负荷(fh)或操作条件的变化具有一定的或操作条件的变化具有一定的自适应能力。自适应能力。9第九页，共44页。三、串

6、级控制系统三、串级控制系统(knzhxtn)的设计的设计1.主变量的选择主变量的选择 与单回路系统被控量的选择一样与单回路系统被控量的选择一样(yyng)2.副变量的选择副变量的选择(1)副回路应包括主要的和更多的扰动。副回路应包括主要的和更多的扰动。10第十页，共44页。(2)主、副回路对象主、副回路对象(duxing)的时间的时间常数应匹配。常数应匹配。(3)应注意工艺上的合应注意工艺上的合理性和经济性。理性和经济性。11第十一页，共44页。3.主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择（1）主变量是生产工艺的重要指标，副变量的引）主变量是生产工艺的重要指标，副变量的引入是为提高

7、主变量的控制精度。入是为提高主变量的控制精度。主控制器宜选择主控制器宜选择PI或或PID。副控制器选。副控制器选P或或 PI。（2）生产工艺对主变量的控制要求较高，对副变）生产工艺对主变量的控制要求较高，对副变量的控制要求也不低。主控和副控均选量的控制要求也不低。主控和副控均选PI，但，但若主控输出变化太剧烈若主控输出变化太剧烈(jli)，副变量也难以，副变量也难以稳定工作。稳定工作。12第十二页，共44页。四四.串级控制系统串级控制系统(knzhxtn)的整定的整定R R1 1Y Y2 2Gc1Gc2G01Gm1G02Gm2Y Y1 1整定方法整定方法(fngf):逐次逼近法逐次逼近法,两步

8、整定法两步整定法,补偿法补偿法13第十三页，共44页。1.逐次逐次(zhc)逼近法逼近法（1）断断开开主主环环，按按单单回回路路方方法法整整定定副副回回路路，得得到到副副控控的的参参数，记作数，记作Gc2(s)1。（2）闭闭合合主主环环，整整定定主主回回路路，得得到到主主控控的的参参数数，记记作作Gc1(s)1。（3）主环、闭环均闭合，再整定副回路，得到）主环、闭环均闭合，再整定副回路，得到Gc2(s)2。（4）重新整定主回路，得到）重新整定主回路，得到Gc1(s)2。如如果果不不满满意意(mny)，重重复复步步骤骤（3）、（4），直直到到满满意意(mny)为止。为止。14第十四页，共44页。

9、2.两步整定法两步整定法(1)先先将将主主调调(zh dio)=100，按按单单回回路路衰衰减减曲曲线线法法整整定定副副回回路路，减减小小副副，直直到到副副变变量量呈呈4：1衰衰减减振振荡荡（=75%）为为止止，记记下下此此时时s2和和Ts2。(2)在在副副调调为为s2条条件件下下，减减小小主主，直直到到主主变变量量呈呈4：1衰减振荡为止，记下此时衰减振荡为止，记下此时s1和和Ts1。(3)根根据据s1、Ts1、s2和和Ts2，按按经经验验公公式式，得到主调得到主调(zh dio)和副调参数值。和副调参数值。15第十五页，共44页。3.一步一步(yb)整定法整定法（1）由表）由表5.2选一个合

10、适的副调放大系数（选一个合适的副调放大系数（P作作用）。用）。（2）将系统投入串级控制）将系统投入串级控制(kngzh)，按单回，按单回路方法整定主调的参数。观察控制路方法整定主调的参数。观察控制(kngzh)过程，根据过程，根据K值匹配原理，适当地调整参数，值匹配原理，适当地调整参数，直到主变量的控制直到主变量的控制(kngzh)品质最佳。品质最佳。（3）如果在整定过程中出现）如果在整定过程中出现“共振共振”，只需加，只需加大主、副控制大主、副控制(kngzh)器中任一比例带值就器中任一比例带值就可以消除。可以消除。16第十六页，共44页。5.2前馈前馈-反馈反馈(fnku)复合控制复合控制

11、系统系统换热器的前馈控制换热器的前馈控制(kngzh)(kngzh)分析分析被调量：被调量：1调节量：调节量：q主要主要(zhyo)扰动：扰动：D17第十七页，共44页。一一.前馈控制前馈控制(kngzh)的概念的概念前馈控制是按扰动前馈控制是按扰动(rodng)量的变化进行控制的。量的变化进行控制的。推导推导(tudo)前馈控制器的传函前馈控制器的传函GcfGuG18第十八页，共44页。二二.前馈前馈-反馈反馈(fnku)控制控制分析完全补偿分析完全补偿(bchng)条件条件GcfGuGH(s)Gc19第十九页，共44页。前馈前馈-反馈控制系统的优点：反馈控制系统的优点：（1）可以对系统中的

12、主要干扰）可以对系统中的主要干扰(gnro)进进行前馈补偿。行前馈补偿。（2）前馈可近似补偿，降低了前馈控制器）前馈可近似补偿，降低了前馈控制器精度的要求。精度的要求。（3）既可实现高精度控制，又能保证系统）既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。稳定运行。20第二十页，共44页。三、采用前馈控制的原则三、采用前馈控制的原则（1）系统中的扰动量是可测不可控的。）系统中的扰动量是可测不可控的。（2）系统中的扰动量的变化幅值大、频）系统中的扰动量的变化幅值大、频率高。率高。（3）在系统中存在着对被控量影响显著）在系统中存在着对被控量影响显著(xinzh)的扰动。的扰动。（4）控制通道的迟延时间较

13、大或扰动通）控制通道的迟延时间较大或扰动通道的时间常数较小。道的时间常数较小。21第二十一页，共44页。前馈前馈-反馈反馈(fnku)控控制实例制实例汽包锅炉水位汽包锅炉水位(shuwi)控制示意控制示意图图过热器过热器W给给水水(jshu)蒸汽蒸汽 DH省省煤煤器器汽汽包包被控量被控量控制量控制量前馈信号前馈信号22第二十二页，共44页。5.3大迟延大迟延(chyn)控制系控制系统统一、常规控制一、常规控制(kngzh)方案方案 微分先行控制方案：微分作用串联在反馈微分先行控制方案：微分作用串联在反馈(fnku)(fnku)回路回路上上 23第二十三页，共44页。二二.预估补偿预估补偿(bc

14、hng)(bchng)控制方案控制方案Smith预估补偿方案预估补偿方案(fngn)主主体思想：体思想：消去特征方程中的消去特征方程中的es项项24第二十四页，共44页。25第二十五页，共44页。例例5-2 迟延控制系统迟延控制系统(kn zh x tn)三种方法仿真三种方法仿真26第二十六页，共44页。三、大林三、大林(Dahlin)算法算法(sunf)设计思想是：设计一个合适的控制器设计思想是：设计一个合适的控制器Gc(z)，使系统的闭环传递函数具有带纯，使系统的闭环传递函数具有带纯迟延的一阶惯性环节，并要求纯延迟时间迟延的一阶惯性环节，并要求纯延迟时间等于等于(dngy)被控对象的纯迟延

15、时间。被控对象的纯迟延时间。27第二十七页，共44页。5.4比值比值(bzh)控制系控制系统统一、比值一、比值(bzh)控制系统的类型控制系统的类型（一）单闭环比值（一）单闭环比值(bzh)控制系统控制系统 主流量主流量主流量主流量(liling)Q(liling)Q1 1副流量副流量副流量副流量QQ2 228第二十八页，共44页。特点：结构简单，实施特点：结构简单，实施(shsh)方便，能保方便，能保证主、副流量的比值，但主流量不受控制。证主、副流量的比值，但主流量不受控制。主检测主检测(jin c)变送器变送器副检测副检测(jin c)变送器变送器比值器比值器调节器调节器调节阀调节阀副对象

16、副对象主流量主流量主流量主流量QQ1 1副流量副流量副流量副流量QQ2 229第二十九页，共44页。试推导试推导(tudo)静态时静态时Q1和和Q2关系关系30第三十页，共44页。n（二）双闭环比值（二）双闭环比值(bzh)控制系统控制系统主检测主检测(jin c)变送器变送器副检测副检测(jin c)变送器变送器比值器比值器主调节器主调节器调节阀调节阀副对象副对象QQ1 1QQ2 2副调节器副调节器调节阀调节阀主对象主对象31第三十一页，共44页。试推导试推导(tudo)静态时静态时Q1和和Q2关系关系32第三十二页，共44页。（三）变比值（三）变比值(bzh)控制系统控制系统主检测主检测(

17、jin c)变变送器送器检测检测(jin c)变送器变送器比值调节器比值调节器主调节器主调节器调节阀调节阀副对象副对象QQ1 1QQ2 2除法器除法器主对象主对象检测变送器检测变送器33第三十三页，共44页。34第三十四页，共44页。二、比值控制系统的设计二、比值控制系统的设计（一）主、副物料流量的确定（一）主、副物料流量的确定(1)一一般般选选生生产产过过程程中中起起主主导导作作用用的的物物料料流流量量为为主主流流量。量。(2)不不可可控控的的或或者者工工艺艺(gngy)上上不不允允许许控控制制的的物物料料流流量量一一般般选选为为主主流流量量，而而可可控控的的物物料料流流量量选选为为副副流量

18、。流量。(3)较昂贵的物料流量可选为主流量。较昂贵的物料流量可选为主流量。(4)按按生生产产工工艺艺(gngy)的的特特殊殊要要求求确确定定主主、副副物物料流量。料流量。35第三十五页，共44页。（二）控制方案的选择（二）控制方案的选择（1）仅仅要要求求两两物物料料流流量量之之比比值值一一定定，负负荷荷变变化化不不大大，主主流流量量不不可可(bk)控控制制，则则可可选选单单闭闭环比值控制方案。环比值控制方案。（2）在在生生产产过过程程中中，主主、副副流流量量扰扰动动频频繁繁，负负荷荷变变化化较较大大，同同时时要要保保证证主主、副副物物料料流流量量恒恒定，则可选用双闭环比值控制方案。定，则可选用

19、双闭环比值控制方案。（3）当当生生产产要要求求两两种种物物料料流流量量的的比比值值能能灵灵活活地地随随第第三三个个参参数数的的需需要要进进行行调调节节时时，可可选选用用变变比值控制方案。比值控制方案。36第三十六页，共44页。（三）调节器控制规律的确定（三）调节器控制规律的确定（1 1）单闭环比值）单闭环比值(bzh)(bzh)控制系统，比值控制系统，比值(bzh)(bzh)器选器选P P，控制器选，控制器选PIPI。（2 2）双闭环比值）双闭环比值(bzh)(bzh)控制系统，两个调节控制系统，两个调节器均应选器均应选PIPI。（3 3）串级（变）比值）串级（变）比值(bzh)(bzh)控制

20、系统，主调控制系统，主调节器选节器选PIPI或或PIDPID控制规律，副调节器选用控制规律，副调节器选用P P(或或PI)PI)控制规律。控制规律。37第三十七页，共44页。三、比值控制系统整定三、比值控制系统整定(1)变比值控制系统，可按串级控制系统进行。变比值控制系统，可按串级控制系统进行。(2)单闭环比值控制系统的整定：单闭环比值控制系统的整定：1）根据工艺要求的流量比值）根据工艺要求的流量比值K，进行投运。，进行投运。2）将将积积分分时时间间置置于于最最大大值值，由由大大到到小小逐逐步步改改变变比比例例带带，直直到到在在阶阶跃跃干干扰扰下下过过渡渡过过程程处处于于振振荡荡(zhndng

21、)与与不不振振荡荡(zhndng)的临界过程为止。的临界过程为止。3）若若有有积积分分作作用用，则则适适当当放放宽宽比比例例带带，减减小小积积分分时时间间，直直到到出出现现临临界界过过程程或或稍稍有有点点过调。过调。(3)双双闭闭环环比比值值控控制制系系统统，副副回回路路按按单单回回路路整整定定，主主流流量量回回路路的的过过渡渡过过程程一一般般应应整整定定成成非周期过程。非周期过程。38第三十八页，共44页。5.5解耦控制系统解耦控制系统(knzhxtn)一一.耦合程度耦合程度(chngd)的分析方法的分析方法Gc1Gc2G11G21G12G22R1R2C1C2U1U239第三十九页，共44页

22、。双入双出对象的静态双入双出对象的静态(jngti)特性图特性图K11K21K12K22C1C2U1U240第四十页，共44页。带前馈补偿器的双变量带前馈补偿器的双变量(binling)全全解耦系统解耦系统Gc1Gc2G11G21G12G22U1U2N12N2141第四十一页，共44页。解耦环节解耦环节(hunji)结合控制器的前馈补偿全解耦系结合控制器的前馈补偿全解耦系统统Gc11Gc22G11G21G12G22Gc12Gc2142第四十二页，共44页。双变量双变量(binling)的反馈解的反馈解耦系统耦系统Gc11Gc22Gv11Gv21Gv12Gv22Gf12Gf2143第四十三页，共44页。双变量解耦系统双变量解耦系统(xtng)框图框图Gc1Gc2G11G21G12G22N21N11N12N2244第四十四页，共44页。