前饋控制系統(tǒng)

前饋控制系統(tǒng)第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日內(nèi)容前饋控制的原理非線性靜態(tài)前饋控制的設(shè)計(jì)方法前饋控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前饋反饋控制系統(tǒng)仿真舉例第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日前饋控制的概念D1，……，Dn為可測(cè)擾動(dòng)；u，y分別為被控對(duì)象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動(dòng)還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動(dòng)的影響。第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日前饋控制方塊圖u

(t)、y

(t)分別表示控制變量與被控變量；

d(t)表示某一外部干擾;GYD(s)、GYC(s)分別為干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)特性；

GFF(s)為前饋控制器的動(dòng)態(tài)特性?？刂颇繕?biāo)：第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日前饋不變性原理動(dòng)態(tài)不變性：在擾動(dòng)d(t)的作用下，被控量y(t)在整個(gè)過渡過程中始終保持不變，稱系統(tǒng)對(duì)于擾動(dòng)d(t)具有動(dòng)態(tài)不變性，即Y(s)/D(s)=0,（調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均為零，”理想情況“）。穩(wěn)態(tài)不變性：在干擾d(t)作用下，被控量y(t)的動(dòng)態(tài)偏差不等于零，而其穩(wěn)態(tài)偏差為零，即Y(0)/D(0)=0，或者說y(t)

在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動(dòng)量d(t)無關(guān)。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)目蓪?shí)現(xiàn)性問題控制目標(biāo)：要求:第6頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日靜態(tài)前饋控制控制目標(biāo)：保證過程輸出在穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償外部擾動(dòng)的影響，即實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)態(tài)不變性”。靜態(tài)前饋控制方式：線性靜態(tài)前饋：非線性靜態(tài)前饋：結(jié)合對(duì)象靜態(tài)模型獲得前饋控制器結(jié)構(gòu)與參數(shù)。第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日非線性靜態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系：討論:前饋控制器的實(shí)現(xiàn)與相關(guān)測(cè)量儀表的影響第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日靜態(tài)前饋控制算法假設(shè)T1、T2的測(cè)量范圍為[T1min,T1max]、[T2min,T2max],RV、RF的測(cè)量范圍為[0,RVmax]、[0,RFmax]；而各測(cè)量信號(hào)T1m、T2m

、RVm、RFm及設(shè)定值均為0~100%.第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器動(dòng)態(tài)仿真模型(參見模型…/FFControl/ExHeater.mdl)靜態(tài)工作點(diǎn):T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2儀表量程為100~300℃,RV儀表量程為0~5T/hr.干擾通道純滯后可忽略,控制通道純滯后為2.5min.第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器的靜態(tài)前饋控制器假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)為:T1=20℃,RF=10T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180℃.T2的測(cè)量儀表量程為100~300℃,RV儀表量程為0~5T/hr，T1量程為0~50℃,RF儀表量程為0~20T/hr.則其靜態(tài)前饋控制算法為第11頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器靜態(tài)前饋控制仿真討論：分析穩(wěn)態(tài)不變性原理以及系數(shù)Kvm對(duì)前饋控制性能的影響，(參見模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日前饋控制的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償討論：當(dāng)控制通道與擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)特性差異較大時(shí)，需要引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。對(duì)于線性系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法為這里，gYD(s)、gYC(s)分別表示通道特性的動(dòng)態(tài)部分，其穩(wěn)態(tài)增益均為1。第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償對(duì)于線性系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩部分：其中對(duì)于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對(duì)象的非線性靜態(tài)模型計(jì)算得到，而動(dòng)態(tài)部分同樣可按線性對(duì)象處理。動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償?shù)囊话阈问綖榈?4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日前饋控制與反饋控制的比較

前饋控制

反饋控制擾動(dòng)可測(cè)，但不要求被控量可測(cè)被控量直接可測(cè)超前調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實(shí)現(xiàn)問題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)，（滯后調(diào)節(jié)）開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統(tǒng)僅能感受有限個(gè)可測(cè)擾動(dòng)系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動(dòng)對(duì)于干擾與控制通道的動(dòng)態(tài)模型，要求已知而且準(zhǔn)確對(duì)通道模型要求弱，大多數(shù)情況無需對(duì)象模型對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性弱對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性與魯棒性強(qiáng)第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器的前饋反饋控制方案1第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器的前饋反饋控制方案2特點(diǎn)：可克服對(duì)象的非線性，或具有變?cè)鲆婵刂破鞯墓δ?。?7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器反饋控制系統(tǒng)舉例(參見模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)#1(參見模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)#2(參見模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日結(jié)論引入前饋控制的可能應(yīng)用場(chǎng)合： （1）主要被控量不可測(cè)； （2）盡管被控量可測(cè)，但控制系統(tǒng)所受的干擾嚴(yán)重， 常規(guī)反饋控制系統(tǒng)難以滿足要求。應(yīng)用前饋控制的前提條件： （1）主要干擾可測(cè)； （2）干擾通道的響應(yīng)速度比控制通道慢，至少應(yīng)接近； （3）干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)特性變化不大。第21頁，共22頁，2023年，2月20日，星期日練習(xí)題下圖所示的換熱器采用蒸汽加熱工藝介質(zhì)，要求介質(zhì)出口溫度達(dá)到規(guī)定的控制指標(biāo)。試分析下列情況下應(yīng)選擇哪一種控制方案，