前馈控制系统课件.ppt

1、前馈控制前馈控制前馈控制的提出和基本概念前馈控制的提出和基本概念前馈控制系统的结构前馈控制系统的结构前馈控制的选用与稳定性前馈控制的选用与稳定性前馈控制系统的工程整定前馈控制系统的工程整定前馈控制系统的工业应用前馈控制系统的工业应用1ppt课件前馈控制的提出和基本概念前馈控制的提出和基本概念换热器工艺流程图换热器工艺流程图1s,FpD2,F蒸汽冷凝液：流体流量F：冷流体温度2：热流体温度12ppt课件换热器控制要求DpFF）蒸汽压力（）入口温度（）被加热的物料流量（主要扰动：控制参数：蒸汽流量被控参数：热流体温度恒定控制要求：热流体温度3212s113ppt课件换热器温度反馈控制系统换热器温度

2、反馈控制系统Fs,FpD2,F蒸汽冷凝液TTTC1014ppt课件反馈控制系统的特点反馈控制的本质是反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏基于偏差来消除偏差差”。是一种是一种“不及时不及时”的控制：无论扰动发的控制：无论扰动发生在哪里，总要等到被控量发生偏差后，生在哪里，总要等到被控量发生偏差后，调节器才开始调节，调节器的动作总要调节器才开始调节，调节器的动作总要落后扰动作用的发生。落后扰动作用的发生。存在存在“稳定性稳定性”问题：必须进行分析。问题：必须进行分析。对包围在环内的一切扰动量均能抑制对包围在环内的一切扰动量均能抑制。5ppt课件前馈控制的原理与特点前馈控制的原理与特点 选择影响被控量

3、，并且可测量的主要扰选择影响被控量，并且可测量的主要扰动，构成前馈控制系统动，构成前馈控制系统Fs,FpDF蒸汽冷凝液FT1前馈补偿器6ppt课件前馈控制系统框图F1）s(ffGGPD(s)GPC(s)Dq7ppt课件前馈控制的补偿原理前馈控制的补偿原理)(sGPD)(sGff)(sGPC)(sF)(1s)()()(0)()()()()()()()()()()(11sGsGsGsGsGsGsFssFsGsGsFsGsPCPDffPCffPDPCffPD前馈控制器模型为：8ppt课件前馈控制的特点前馈控制的特点“基于扰动来消除扰动对被控量的影响基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称为又称为“扰

4、动补偿扰动补偿”；扰动发生后，前馈控制扰动发生后，前馈控制“及时及时”动作；动作；属于开环控制，只要系统中各环节是稳属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；定的，则控制系统必然稳定；只适合于只适合于可测不可控可测不可控的扰动；的扰动；控制规律取决于被控对象的特性；控制规律取决于被控对象的特性；一种前馈控制只能克服一种扰动。一种前馈控制只能克服一种扰动。9ppt课件（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在）可测：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线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。号。（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独）不可控：扰动量与

5、控制量之间的相互独立性，即控制通道的传递函数与扰动通道立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数的传递函数无关联无关联，从而，从而控制量控制量无法改变无法改变扰动量扰动量的大小的大小。10ppt课件前馈控制的局限性前馈控制的局限性完全补偿难以实现：扰动通道和完全补偿难以实现：扰动通道和控制通道的数学模型很难准确求控制通道的数学模型很难准确求出；即使求出，工程上难以实现。出；即使求出，工程上难以实现。只能克服只能克服可测不可控可测不可控的扰动的扰动11ppt课件前馈控制系统的结构形式前馈控制系统的结构形式单纯的前馈控制系统单纯的前馈控制系统前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统前馈前馈-串级控制

6、系统串级控制系统12ppt课件前馈前馈-反馈复合控制系统反馈复合控制系统)(sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(sX)(sF)(sY结构之一：13ppt课件补偿器数学模型)()()()()()()(1)()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsFsYsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsFsGsYFPCffPDPCCPCffPDPCCPCffPD在单纯前馈控制下：作用下，系统输出为在14ppt课件结构一的数学模型)()()(0)()(1)()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYsYsG

7、sGsFsGsGsFsGsYFPCPDffPCCPCffPDPCCPCffPD作用下，系统输出为在15ppt课件结论结论定的适应能力。特性参数的变化具有一时所引起对象非线性求，同时对于工况变动前馈补偿器精度的要的存在不仅可以降低对，说明由于反馈为原来的控量的影响反馈控制，扰动量对被前馈)()(1/1.1sGsGPCC2.只要对主要干扰进行前馈补偿，其它干扰由只要对主要干扰进行前馈补偿，其它干扰由反馈控制予以校正。反馈控制予以校正。16ppt课件结构之二结构之二)(sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(sX)(sF)(sY17ppt课件补偿器数学模型补偿器数学模型全补偿条件）作用下，系统

8、输出为在()()()()(0)()(1)()()()()()()()()()()()()()()()(:sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsFsYsYsGsGsFsGsGsGsFsGsYFCPCPDffPCCCPCffPDPCCCPCffPD18ppt课件工业应用：加热炉前馈工业应用：加热炉前馈-反馈控制反馈控制FTTTffGTC1FBFo19ppt课件分析调节。调节器产生的控制作用燃料油压力等由反馈其它扰动：进料温度、前馈控制量：主要扰动：进料流量控制参数：燃油流量被控参数：出口温度21FFFB20ppt课件前馈前馈-串级复合控制系统串级复合控制系统典型结构框图：由于串级控制系统对进入

9、典型结构框图：由于串级控制系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制作用，所副回路的扰动影响有较强的抑制作用，所以前馈控制主要克服一次扰动以前馈控制主要克服一次扰动。)(1sGC)(sGPC)(ffsG)(sGPD)(1sX)(1sF)(1sY)(2sGC)(2sGP)(2sX)(2sY21ppt课件前馈控制模型前馈控制模型动态结构图简化为：可以求出：)()(1)()()()(222222sGsGsGsGsXsYPCPC)(1sGC)(sGPC)(sGff)(sGPD)(1sX)(1sF)(1sY)()(22sXsY)(2sX22ppt课件)1)(/)()()()(/)()()()(0)()()(

10、)(/)()()(1)(/)()()()()()(22221112212211sXsYsGsGsXsYsGsGsGsFsYsFsXsYsGsGsXsYsGsGsGsFsYPCPDPCPDffPCCPCffPD，所以：副回路是快速随动系统，即：全补偿，则要对23ppt课件工业应用：加热炉温度控制系统工业应用：加热炉温度控制系统oFTTT)(sGffFCTC1FBFFT24ppt课件习题习题5.119123s)(ffsG125.0s0T)(1sFT9122s2X2Y21125ppt课件25.012/212/5.0)()()(/)()()()(22sssGsGsXsYsGsGsGPCPDPCPDff

11、26ppt课件确定控制器的正反作用形式确定控制器的正反作用形式先研究副调节器先研究副调节器副调节器为反作用形式）由（）已知控制阀为气开式（正作用过程蒸汽流量增加）控制阀开度增大（：副对象是蒸汽流量控制0030201220202CCVVKKKKKK27ppt课件再研究主调节器再研究主调节器主调节器为反作用形式）副回路（正作用过程温度增加）蒸汽流量增加（主对象是温度控制：00120111100210CCKKKGK28ppt课件习题习题5.12画出结构图画出结构图;串级控制是由内外两个反馈回路所组成，串级控制是由内外两个反馈回路所组成，而前馈而前馈-反馈控制是由一个反馈回路和另反馈控制是由一个反馈回

12、路和另一个开环的补偿回路叠加而成；一个开环的补偿回路叠加而成；29ppt课件串级控制中的副参数是反映主被控变量的串级控制中的副参数是反映主被控变量的中间变量，控制作用对它产生明显的调节中间变量，控制作用对它产生明显的调节效果；而前馈效果；而前馈-反馈控制中的前馈输入量反馈控制中的前馈输入量是对主被控变量有显著影响的干扰量，是是对主被控变量有显著影响的干扰量，是完全不受控制作用约束的独立变量；完全不受控制作用约束的独立变量；30ppt课件a图的框图图的框图TC加热炉)(sFTFC燃料油控制阀检测变送31ppt课件b图的框图图的框图TC加热炉TFC燃料油控制阀检测变送检测变送32ppt课件前馈控制

13、的选用与稳定性前馈控制的选用与稳定性实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及不可控性及不可控性（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在）可测：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线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。号。（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独）不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性，即控制通道的传递函数与扰动通道立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递函数的传递函数无关联无关联，从而，从而控制量控制量无法改变无法改变扰动量扰动量的大小的大小。33ppt课件前馈控制的选用与稳定性前馈控制的选用与稳定性前馈控制系统

14、的稳定性前馈控制系统的稳定性（1）前馈控制是开环控制，只要各环节是）前馈控制是开环控制，只要各环节是稳定的，系统就是稳定的；稳定的，系统就是稳定的；（2）前馈）前馈-反馈、前馈反馈、前馈-串级系统，只要反馈串级系统，只要反馈或串级系统是稳定的，则相应的前馈或串级系统是稳定的，则相应的前馈-反馈、反馈、前馈前馈-串级控制系统也一定稳定；串级控制系统也一定稳定；（3）无自平衡能力的生产过程，通常不能）无自平衡能力的生产过程，通常不能单独使用前馈控制。单独使用前馈控制。34ppt课件前馈控制系统的工程前馈控制系统的工程整定整定前馈控制模型是由过程扰动通道和过前馈控制模型是由过程扰动通道和过程控制通道

15、决定的，但准确获取过程程控制通道决定的，但准确获取过程扰动通道和过程控制通道的传递函数扰动通道和过程控制通道的传递函数通常很困难，所以理论整定难以进行，通常很困难，所以理论整定难以进行，目前广泛采用的是工程整定法。目前广泛采用的是工程整定法。参见教材参见教材P138-142。35ppt课件前馈控制系统的实施前馈控制系统的实施相当数量的工业对象都具有非周期性与相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，经常可用一个一阶或二过阻尼的特性，经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串一个纯滞后环阶容量滞后，必要时再串一个纯滞后环节来近似。节来近似。36ppt课件1212211122,/11-)()

16、()(1)(,1)(12ffsfPCPDffsPCsPDKKKesTsTKsGsGsGesTKsGesTKsGf则：如果：37ppt课件sssTsTKsGsGsGssesTsTKsGfPCPDffsffff21121111-)()()(21121111-)(212112否则：相差不大时，、当38ppt课件动态特性动态特性21/)1(1)(TTeKtmTtff式中：出响应为：在单位阶跃作用下，输fKtfm1111-)(21sTsTKsGfff具有超前特性，适合具有超前特性，适合于控制通道滞后大于于控制通道滞后大于干扰通道滞后干扰通道滞后具有滞后特性，适合具有滞后特性，适合于控制通道滞后小于于控制

17、通道滞后小于干扰通道滞后干扰通道滞后39ppt课件实现办法实现办法实现。；也可以用计算机程序节或一阶微分环节实现、加法器和一阶惯性环实现；也可以用比值器标准仪表（标准模块）上式中的各环节可以用sssTsTKsGsGsGfPCPDff21121111-)()()(2140ppt课件大滞后补偿控制大滞后补偿控制大滞后带来的影响大滞后带来的影响大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补偿控制增益自适应的预估补偿控制增益自适应的预估补偿控制41ppt课件大滞后带来的影响大滞后带来的影响由于过程控制通道中纯滞后的存在，被控由于过程控制通道中纯滞后的存在，被控量不能及时反映系统承受的扰动。量不能及时反映系

18、统承受的扰动。扰动量扰动量影响的反映要依靠被控参数的检测，由于影响的反映要依靠被控参数的检测，由于滞后的存在，反映时间滞后，因而开始调滞后的存在，反映时间滞后，因而开始调节的时间也滞后节的时间也滞后调节不及时。调节不及时。过程会产生明显的超调量和较长的调节时过程会产生明显的超调量和较长的调节时间。（原因是调节不及时）间。（原因是调节不及时）42ppt课件大滞后的界定与控制方案大滞后的界定与控制方案控制方案。须采用特殊的控制效果不好，采用必控制和前馈）实践证明，采用串级（。之比大于控制通道时间常数与过程时间）大滞后过程：纯滞后（23.01T43ppt课件大滞后过程的预估补偿控制大滞后过程的预估补

19、偿控制基本思想：按照过程特性，预估基本思想：按照过程特性，预估出一种模型加入到反馈控制系统出一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿过程的动态特性。中，以补偿过程的动态特性。44ppt课件Smith预估补偿控制预估补偿控制)(sGC)(sGPDsPesG)()(sX)(sY)(sF。的输出信号为反馈信号以函数，为过程控制通道的传递分开，并以基本思想：将)()()(sGsGesGPPsP45ppt课件提出等效补偿的方法。此，是不可分割的，因与程，代表实际的被控过注意：SmithesGesGsPsP)()(46ppt课件Smith预估补偿控制系统预估补偿控制系统)(sGC)(sGfsPesG)()(s

20、X)(sY)(sF)(sGPse)(sU)1)(sPesG47ppt课件Smith预估补偿控制等效框图预估补偿控制等效框图)(2sY)(sGCsPesG)()(sX)(sY)1)(sPesG)(sU)(sY)(1sY48ppt课件sPCPCssPsPsPCesGsGsGsGsXsYesYsYesGesGsYsYsYsYsYesGsGsYsX)()(1)()()()(1)()()1)()()()()()()()()()()(21149ppt课件)(sGCse)(sX)(sY)(sGP)(sU)(1sY。推迟一个制过程曲线在时间轴上仅仅将控的完全相同。至于分子中质与无纯滞后制品质的影响，系统品控，

21、消去了纯滞后对系统程消去了递函数特征方经过预估补偿，闭环传ssee50ppt课件Smith补偿的实现补偿的实现用近似数学模型模拟纯滞后环节用近似数学模型模拟纯滞后环节帕德帕德一阶和二阶近似式一阶和二阶近似式51ppt课件帕德一阶近似式帕德一阶近似式）（帕德一阶近似式：s211-12-11-s212s21s2-1ssee52ppt课件12s21s-112s21s112s2112s2-12222ssee帕德二阶近似式：帕德二阶近似式帕德二阶近似式53ppt课件帕德近似式的实现帕德近似式的实现2s2111)(sX)(sY54ppt课件2s211)(sX)(sYs611155ppt课件Smith补偿控

22、制系统框图补偿控制系统框图)(2sY)(sGCsPesG)()(sX)(sY)(sU)(1sYs6111s2112)(sGP)(fsG56ppt课件Smith预估补偿控制存在的问题预估补偿控制存在的问题产中应用。分敏感，因此难于在生且对模型十象精确的数学模型，而补偿器要知道被控对）由于（。量扰动的抑制效果要好果比对干扰控制对给定值的跟随效预估补偿时无控制作用，所以当时产生控制作用只有SmithSmithtt2,)1(57ppt课件增益自适应预估补偿控制增益自适应预估补偿控制B)(sU)(sGCsPesG)()(sX)(sY)(sF)(sGPseA/Bs1A)(1sd)(2sd58ppt课件加热

23、炉温度预估补偿控制加热炉温度预估补偿控制轧钢车间加热炉多点平均温度反馈轧钢车间加热炉多点平均温度反馈控制系统控制系统 系统主要配置：系统主要配置：六台设有断偶报警六台设有断偶报警装置的温度变送器、三台高值选择装置的温度变送器、三台高值选择器、一台加法器、一台器、一台加法器、一台PID调节器调节器和一台电和一台电/气转换器气转换器59ppt课件加热炉温度反馈控制系统流程图加热炉温度反馈控制系统流程图3ITT1TT2SHTT3TT4SHTT5TT6SHPI/PID定值器1I2IITImI燃料空气60ppt课件系统简介统），可经济燃烧。少（比值控制系变化按比例地增加或减动跟随燃料量的进入加热炉，风量

24、能自引风特性的喷嘴加热炉燃料：通过具有平均加法器：实现三个信号仍能正常工作；中有一个断偶时，系统：当每对热电偶采用高值选择器SH 61ppt课件)110)(1120(06.1)()()(110107.0)(11209.9)(801801ssesGsGsGssGsesGsmPCms：广义被控对象数学模型检测与变送器模型：加热炉数学模型：62ppt课件间和超调量都很大。器，过渡过程的调节时调节，若采用普通的由于PIDT75.0/112006.1)(1109010sesGessPCs所以，由于)110)(1120(06.1)()()(801ssesGsGsGsmPC63ppt课件Smith预估补偿控

25、制方案预估补偿控制方案)(sGCTIIse90mI112006.1sSmith预估补偿器预估补偿器s-e112006.1s64ppt课件Smith预估补偿控制分析预估补偿控制分析112006.1)1(112006.1112006.1)(909090sesesesGPIDSmithsssPC等效传递函数为：象和补偿环节，对象包括原来的广义对控制的预估补偿环节后，加入65ppt课件制品质。很容易且得到较高的控的整定变得含纯滞后环节，调节器中，不再包）等效被空对象（)(1sGPC66ppt课件.2特性参数会发生变化数量不同而间长短、每次处理工件由于使用时性，而加热炉在工作中和相对稳定象的模型有较高的

26、精度对预估补偿控制要求广义）（Smith67ppt课件增益自适应补偿控制方案增益自适应补偿控制方案BIse90ITT1TT2SHPI/PID自适应IAIITI燃料TT1TT2SHTT1TT2SH112006.1s定值器mI68ppt课件等效框图等效框图AIIBII110206.1sI)(sGCses90112006.1*TIse90PID自适应mI69ppt课件增益自适应增益自适应PID控制的实现控制的实现06.180.1112006.1112080.1/108.106.19090seIseIIIIIIIIIsmsmAAm也随之增大，即：的输出信号增大，故除法器下，因广义对象的输出在相同的操作

27、变量，变化到益从假设广义对象的静态增70ppt课件112080.1)()()(112080.1112006.106.180.1ssIsIsGPIDIssIIIImommB模型为：调节器控制的等效对象71ppt课件调节器比例增益的自动修改调节器比例增益的自动修改倍。减小定参数来的整调节器的比例增益比原适应，故自除法器的输出信号变到从当广义对象的静态增益调节器的运算关系为：自适应06.1/80.106.1/80.180.106.1)(11)(*CTDICmKPIDIIIIsTsTKsIPID72ppt课件73ppt课件74ppt课件75ppt课件76ppt课件77ppt课件78ppt课件79ppt课件80ppt课件