前饋控制系統(tǒng)的基本原理

1、前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的根本原理前饋控制的根本概念是測(cè)取進(jìn)入過(guò)程的干擾包括外界干擾和設(shè)定值變化，并按其信號(hào)產(chǎn)生適宜的控制作用去改變操縱變量，使受控變量維持在設(shè)定值上。圖2.4-1物料出口溫度需要維持恒定，選用反應(yīng)控制系統(tǒng)。假設(shè)考慮干擾僅是物料流量，那么可組成圖2.4-2前饋控制方案。方案中選擇加熱蒸汽量為操縱變量。 圖2.4-1 反應(yīng)控制 圖2.4-2 前饋控制前饋控制的方塊圖，如圖2.4-3。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為： 2.4-1 式中、分別表示對(duì)象干擾道和控制通道的傳遞函數(shù)；為前饋控 圖2.4-3 前饋控制方塊圖制器的傳遞函數(shù)。 系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償?shù)臈l件是：時(shí)，要求 2.4-2將1-2式

2、代入1-1式，可得 = 2.4-3 滿(mǎn)足1-3式的前饋補(bǔ)償裝置使受控變量不受擾動(dòng)量變化的影響。圖2-4-4表示了這種全補(bǔ)償過(guò)程。在階躍干擾下，調(diào)節(jié)作用和干擾作用的響應(yīng)曲線(xiàn)方向相反，幅值相同。所以它們的合成結(jié)果，可使到達(dá) 圖2.4-4 前饋控制全補(bǔ)償示意圖理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設(shè)定值上。顯然，這種理想的控制性能，反應(yīng)控制系統(tǒng)是做不到的。這是因?yàn)榉磻?yīng)控制是按被控變量的偏差動(dòng)作的。在干擾作用下，受控變量總要經(jīng)歷一個(gè)偏離設(shè)定值的過(guò)渡過(guò)程。前饋控制的另一突出優(yōu)點(diǎn)是，本身不形成閉合反應(yīng)回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。1前饋控制與反應(yīng)控制的比擬 圖2.4-5 反應(yīng)控制方

3、塊圖 圖2.4-6 前饋控制方塊圖由以上反應(yīng)控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)方塊圖可知：1)前饋是“開(kāi)環(huán)，反應(yīng)是“閉環(huán)控制系統(tǒng) 從圖上可以看到，外表上，兩種控制系統(tǒng)都形成了環(huán)路，但反應(yīng)控制系統(tǒng)中，在環(huán)路上的任一點(diǎn)，沿信號(hào)線(xiàn)方向前行，可以回到出發(fā)點(diǎn)形成閉合回路，成為“閉環(huán)控制系統(tǒng) 。而在前饋控制系統(tǒng)中，在環(huán)路上的任一點(diǎn)，沿信號(hào)線(xiàn)方向前行，不能回到出發(fā)點(diǎn)，不能形成閉合環(huán)路，因此稱(chēng)其為“開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 。2)前饋系統(tǒng)中測(cè)量干擾量，反應(yīng)系統(tǒng)中測(cè)量被控變量 在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測(cè)量被控變量，而單純的反應(yīng)控制系統(tǒng)中不測(cè)量干擾量。3)前饋需要專(zhuān)用調(diào)節(jié)器，反應(yīng)一般只要用通用調(diào)節(jié)器由于前饋控制的精確性和及時(shí)性取決于干

4、擾通道和調(diào)節(jié)通道的特性，且要求較高，因此，通常每一種前饋控制都采用特殊的專(zhuān)用調(diào)節(jié)器，而反應(yīng)根本上不管干擾通道的特性，且允許被控變量有波動(dòng)，因此，可采用通用調(diào)節(jié)器。4)前饋只能克服所測(cè)量的干擾，反應(yīng)那么可克服所有干擾前饋控制系統(tǒng)中假設(shè)干擾量不可測(cè)量，前饋就不可能加以克服。而反應(yīng)控制系統(tǒng)中，任何干擾，只要它影響到被控變量，都能在一定程度上加以克服。5)前饋理論上可以無(wú)差，反應(yīng)必定有差如果系統(tǒng)中的干擾數(shù)量很少，前饋控制可以逐個(gè)測(cè)量干擾，加以克服，理論上可以做到被控變量無(wú)差。而反應(yīng)控制系統(tǒng)，無(wú)論干擾的多與少、大與小，只有當(dāng)干擾影響到被控變量，產(chǎn)生“差之后，才能知道有了干擾，然后加以克服，因此必定有差。

5、前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式1靜態(tài)前饋由1-3式求得的前饋控制器，它已考慮了兩個(gè)通道的動(dòng)態(tài)情況，是一種動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償器。它追求的目標(biāo)是受控變量的完全不變性。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)并沒(méi)有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下，實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。令1-3式中的S為0，即可得靜態(tài)前饋控制算式： 2.4-4 利用物料或能量衡算式，可方便地獲取較完善的靜態(tài)前饋算式。例如，圖2-4-2所示的熱交換過(guò)程，假假設(shè)忽略熱損失，其熱平衡關(guān)系可表述為： 2.4-5 式中 物料比熱 蒸汽汽化潛熱 物料量流量 載熱體蒸汽流量 換熱器入口溫度 換熱器出口溫度由2.4-5式可解得： 2.4-6用物料出口溫度的設(shè)定值代替上式中的，可得 =

6、 2.4-7 上式即為靜態(tài)前饋控制算式。相應(yīng)的控制流程示于圖2-4-7圖2.4-7 換熱器的靜態(tài)前饋控制圖中虛線(xiàn)框表示了靜態(tài)前饋控制裝置。它是多輸入的，能對(duì)物料的進(jìn)口溫度、流量和出口溫度設(shè)定值作出靜態(tài)前饋補(bǔ)償。由于在2.4-7式中，Q與1i-2是相乘關(guān)系，所以這是一個(gè)非線(xiàn)性算式。由此構(gòu)成的靜態(tài)前饋控制器也是一種靜態(tài)非線(xiàn)性控制器。應(yīng)該注意到，假假設(shè)2.4-5式是對(duì)熱平衡確實(shí)切描述的話(huà)，那么由此而構(gòu)筑的非線(xiàn)性前饋控制器能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的全補(bǔ)償。對(duì)變量間存在相乘或相除關(guān)系的過(guò)程，非線(xiàn)性是很?chē)?yán)重的，假假設(shè)通過(guò)對(duì)它們采用線(xiàn)性化處理來(lái)設(shè)計(jì)線(xiàn)性的前饋控制器，那么當(dāng)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移時(shí)，往往會(huì)帶來(lái)很大誤差。在化工工藝參數(shù)中

7、，液位和壓力反映的是流量的積累量，因此液位和壓力的前饋計(jì)算一般是線(xiàn)性的。但是溫度和成分等參數(shù)它們代表流體的性質(zhì)，其前饋計(jì)算常以非線(xiàn)性面目出現(xiàn)。從采用前饋控制的必要性來(lái)看，一般是溫度和成分甚于液位和壓力。一方面是由于穩(wěn)定前者的重要性往往甚于后者，另一方面溫度和成分對(duì)象一般有多重滯后，僅采用反應(yīng)調(diào)節(jié)，質(zhì)量還會(huì)不和要求。增加前饋補(bǔ)償是改良控制的一條可行途徑。對(duì)溫度和成分控制應(yīng)考慮采用非線(xiàn)性運(yùn)算和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。圖2.47中的前饋補(bǔ)償器輸出是作為蒸汽流量回路的設(shè)定值。設(shè)置蒸汽流量回路是必要的，它可以使蒸汽流量按前饋補(bǔ)償算式2.4-7式的要求進(jìn)行精確跟蹤。2前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)受控變量的

8、不變性，但在工程實(shí)踐中，由于以下原因，前饋控制系統(tǒng)依然會(huì)存在偏差。1實(shí)際的工業(yè)對(duì)象會(huì)存在多個(gè)擾動(dòng)，假設(shè)均設(shè)置前饋通道，勢(shì)必增加控制系統(tǒng)投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。因而一般僅選擇幾個(gè)主要干擾作前饋通道。這樣設(shè)計(jì)的前饋控制器對(duì)其它干擾是絲毫沒(méi)有校正作用的。2受前饋控制模型精度限制。3用儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)前饋控制算式時(shí)，往往作了近似處理。尤其當(dāng)綜合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時(shí)，它們?cè)谖锢砩鲜遣荒軐?shí)現(xiàn)的，構(gòu)筑的前饋控制器只能是近似的：如將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，將純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán)節(jié)。前饋控制系統(tǒng)中，不存在受控變量的反應(yīng)，也即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤](méi)有檢驗(yàn)的手段。因此，如果控制的結(jié)果無(wú)法消除

9、受控變量的偏差，系統(tǒng)也無(wú)法獲得這一信息而作進(jìn)一步的校正。為了解決前饋控制的這以局限性，在工程中往往將前饋與反應(yīng)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，構(gòu)成前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反應(yīng)控制能克服多種擾動(dòng)及對(duì)受控變量最終檢驗(yàn)的長(zhǎng)處，是一種適合化工過(guò)程控制、較有開(kāi)展前途的控制方法。換熱器的前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)及其方塊圖分別表示在圖2.4-8和圖2.4-9。 圖2.4-8 換熱器的前饋反應(yīng)控制系統(tǒng) 圖2.4-9 前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)方塊圖圖2.4-9所示前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 = 2.4-8應(yīng)用不變性原理?xiàng)l件 時(shí)，要求，代入2.4-8式，可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為 2.4-9比擬2.4-9

10、式和2.4-3式可知，前饋反應(yīng)控制與純前饋控制實(shí)現(xiàn)“全補(bǔ)償?shù)乃闶绞窍嗤摹Ｇ梆伔磻?yīng)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：從前饋控制角度，由于增添了反應(yīng)控制，降低了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并能對(duì)未選作前饋信號(hào)的干擾產(chǎn)生校正作用。從反應(yīng)控制角度，由于前饋控制的存在，對(duì)干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減小了控制的負(fù)擔(dān)。3前饋串級(jí)控制系統(tǒng)分析圖2.4-6換熱器的前饋反應(yīng)控制系統(tǒng)可知，前饋控制器的輸出與反應(yīng)控制器的輸出疊加后直接送至控制閥，這實(shí)際上是將所要求的物料量F與加熱蒸汽量FS的對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)化為物料流量與控制閥膜頭壓力間的關(guān)系。這樣為了保證前饋補(bǔ)償?shù)木?，?duì)控制閥提出了嚴(yán)格的要求，希望它靈敏、線(xiàn)性及盡可能小的滯環(huán)區(qū)。此

11、外還要求控制閥前后的壓差恒定，否那么，同樣的前饋輸出將對(duì)應(yīng)不同的蒸汽流量，這就無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題，工程上將在原有的反應(yīng)控制回路中再增設(shè)一個(gè)蒸汽流量副回路，把前饋控制器的輸出與溫度控制器的輸出疊加后，作為蒸汽流量控制器的給定值。圖2.4-10 前饋串級(jí)控制系統(tǒng)圖2.4-11 前饋串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 2.4-10 因?yàn)榇?jí)系統(tǒng)最正確設(shè)計(jì)那么1，根據(jù)不變性原理當(dāng) 那么 2.4-12 2.4-12 曲線(xiàn)圖 前饋控制規(guī)律的實(shí)施1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)可測(cè)不可控的干擾，變化幅度大，且對(duì)被調(diào)參數(shù)影響大，工藝指標(biāo)要求嚴(yán)格工藝要求實(shí)現(xiàn)參數(shù)間的某種特殊關(guān)系，即按某一種數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)2. 前饋補(bǔ)償

12、裝置的控制算法通過(guò)對(duì)前饋控制系統(tǒng)的幾種典型結(jié)構(gòu)形式的分析可知，前饋控制器的控制規(guī)律取決于對(duì)象干擾通道與控制通道的特性。由于工業(yè)對(duì)象的特性極為復(fù)雜，這就導(dǎo)致了前饋控制規(guī)律的形式繁多，但從工業(yè)應(yīng)用的觀(guān)點(diǎn)看，尤其是應(yīng)用常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng)，總是力求控制儀表的模式具有一定的通用性，以利于設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)。實(shí)踐證明，相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對(duì)象都具有非周期性與過(guò)阻尼的特性，因此經(jīng)?？捎靡粋€(gè)一階或二階容量滯后，必要時(shí)再串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似它。 2.4-13 超前滯后環(huán)節(jié) 2.4-14 2.4-15 圖2.4-13 超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖 純滯后補(bǔ)償 (2.4-16)當(dāng)較小時(shí)， = 2.4-17 2.4-18上式所示為帶有純滯后的“超前滯后前饋控制規(guī)律，其純滯后環(huán)節(jié)按 2.4-19近似展開(kāi)。此種“超前滯后前饋補(bǔ)償模型，已成為目前廣泛應(yīng)用的一種動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償模式。這種通用型前饋控制模型在單位階躍作用下的輸出特性為： 2.4-20式中，<1，< 過(guò)補(bǔ)償；>1，> 欠