《前馈控制系统》PPT课件.ppt

过程控制系统及工程,第5章 前馈控制系统,前馈控制系统,5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验,第5章,5.1,前馈控制系统的特点,用加热载体的流量控制被加热流体的温度-滞后控制,前馈控制-按干扰进行控制的开环控制方式,(a) 反馈控制方案 FBC,例子：,换热器温度控制,按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响-超前控制,换热器进料量为出口温度的主要干扰量，可通过流量测量， 通过前馈装置，控制阀门，即用蒸汽变化补偿由于进料流 量变化对出口温度的影响。,（b）前馈控制方案FFC,5.1,前馈控制系统的特点,5.1,前馈控制系统的特点,前馈控制系统的补偿过程,5.1,前馈控制系统的特点,前馈控制系统的特点,被控变量的偏差,干扰量的大小,被控变量,干扰量,偏差出现后,偏差出现前,5.1,前馈控制系统的特点,开环控制，控制效果不能通过反馈验证，因此对控制器设计 的要求比较严格,对象,不象反馈控制通用PID算法，前馈控制算法依对象不同而不同。前馈控制器设计依据“扰动补偿理论”,5.1,前馈控制系统的特点,5.1,前馈控制系统的特点,缺点,前馈控制系统,5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验,第5章,5.2,前馈控制系统的几种主要结构形式, 动态前馈控制,实现动态干扰补偿, 静态前馈控制,实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）,单纯的前馈控制系统,5.2.1,图5-4 锅炉汽包三冲量控制,蒸汽量 D,液位 L,流量 F,静态前馈控制系统,例子1：,给水,蒸汽,单纯的前馈控制系统,5.2.1,对于较为简单的对象，可以写出静态方程式,例子2：,Cp - 比热,hs - 蒸汽的 汽化潜热,单纯的前馈控制系统,5.2.1,开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。,单纯的前馈控制系统,5.2.1,有时，为了提高动态品质，可在静态前馈基础上 适当加入动态环节,单纯前馈控制要注意系统稳定性问题：,开环通道稳定，FFC稳定；,前馈-反馈控制系统,5.2.2,单纯前馈控制的局限性：,（1）不能根据偏差进行控制效果检验（不能反馈）而不断纠正偏差,（2）受模型精度影响GPD(s)、GPC(s),（3）一个前馈控制只能处理一个扰动,前馈-反馈控制系统,5.2.2,FFC按负荷F的变化校正蒸汽量Fs,FBC根据温度偏差，对蒸汽量Fs进行进一步校正。,FFC与FBC作用叠加，又称复合控制系统。,前馈-反馈控制系统,5.2.2,前馈-反馈控制系统,5.2.2,GPD(s)十Gff(s)GPC(s)0,应用不变性原理：,F(s)0，1(s)0,代入上式中，即可推导出前馈控制器的传递函数：,FFCFBC系统实现完全补偿的条件是相同的,（3）有模型变化的适应能力,前馈-反馈控制系统,5.2.2,FFC-FBC优点：,（1）FFC只需对主要干扰进行前馈补偿，其余 干扰由FBC完成,（2）由于FBC的偏差校正，对FFC的模型精度 要求降低,前馈-串级控制系统,5.2.3,同样对于上述换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定， 无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥,解决办法：串级控制,图5-9 换热器的前馈-串级控制系统,前馈-串级控制系统,5.2.3,前馈控制系统,5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验,第5章,5.3,前馈控制系统的实施,工业应用希望控制规律能具有一定的通用性，便于控制实施（特别是仪表）,前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的 传递函数,工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多， 不利于实施,5.3,前馈控制系统的实施,一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似,如：,5.3,前馈控制系统的实施,图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图,=T1/T2,T1 T2 超前特性 T1 T2 滞后特性 T1 =T2 比例特性,扰动变量的选择：,前馈控制是按扰动控制的，因此，扰动必须可测,如果扰动易控，可直接采用反馈控制系统来控制；,前馈控制针对单一扰动控制，因此，扰动应是主要扰动。,为克服其他扰动，通常采用前馈-反馈控制系统。,主要扰动无法落在串级控制的副环时，用前馈-反馈，可得到更好的控制效果。,前馈控制系统,5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验,第5章,5.4,前馈控制系统的应用,什么情况下采用前馈控制：,T2C,T1C,Gff,+,TC,燃油,燃油,原料油,原料油,(a)串级控制系统,(b)前馈反馈控制系统,图514 加热炉的两种控制系统,前馈-反馈与串级控制系统的区别：,5.4,前馈控制系统的应用,图5l 5 设计错误的串级控制系统,TC,FC,F,前馈控制系统,5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的投运和参数整定 5.6 多变量前馈控制 实验：前馈控制系统实验,第5章,5.5,前馈控制系统的投运和参数整定,Kf T1 T2 的整定,X,Y,Kf 的整定,5.5.1,5.5,前馈控制系统的参数整定,方法2：闭环整定法：2开1闭,方法1：开环整定法： 断开反馈通道，单纯前馈控制，施加干扰， 改变Kf ，直到控制变量回到给定值,条件：反馈控制器必须有积分作用,开关1、2都闭合，做两次实验,Kf 的整定,5.5.1,方法3：前馈反馈系统下,（2）在反馈整定好的基础上，施加相同的干扰量， 由小到大改变Kf ，直到满意。,（1）先开2，纯反馈。,欠补偿,补偿合适,过补偿,T1、T2的整定,5.5.2,T1 T2 属于动态参数的整定，比静态参数的整定复杂，无完整的工程整定方法和计算公式。 看曲线，调参数，反复试凑,T1、T2的整定,5.5.2,T1 过小或T2 过大，欠补偿，未能有效发挥前馈的补偿功能，图（B）。 T1 过大或T2 过小，过补偿，控制品质差，图（D） T1 和T2 接近对象控制通道和干扰通道时间常数时，控制品质最佳，图（C）。 欠补偿比过补偿好些，安全，整定时，从欠补偿开始调整,C,D,B,A,定性分析：,另外一种方法： （1）确定T1 和T2 哪个大 在静态整定后，使系统分别在反馈状态和前馈反馈状态下运行，施加前馈扰动，通过控制过程曲线判断，,T1、T2的整定,5.5.2,A反馈曲线， B干扰通道T2 控制通道T1,T1、T2的整定,5.5.2,（2）若T1 T2 ，取T1在2 T2附近，若T1 T2 ，取T1在0.5 T2附近，作为初值 （3）单纯前馈作用，施加阶跃干扰，观察曲线,图5-20 前馈控制器动态参数的整定曲线,多输入单输出、多输入多输出 当被控过程的扰动不止一个，而它们变化幅度较大且频繁时，可采用多输入单输出的多变量前馈控制系统。 机理建立前馈控制模型 适用于简单的工艺对象 换热器 P104 图5-21 线性叠加方法 MIMO系统,5.6,多变量前馈控制系统,