第六章 前馈控制系统课件.ppt
第二篇 复杂控制系统,第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质,1、不变性原理,6.1 前馈控制系统,一、基本概念,不变性原理是自动控制理论中研究扼制和消除扰动对控制系统影响的理论。实际的控制系统都会受到外部扰动的影响。如果这种扰动能够被测量出来，就有可能利用它来产生控制作用，以消除其对输出的影响。这种设计原理就是不变性原理。,不变性原理由苏联学者.谢巴诺夫在1939年首先提出。4050年代苏联学者.卢津、.彼德罗夫等对此进行了系统的研究，使之发展成为一整套完整的理论。在西方，C.D.约翰逊继苏联学者之后也独立地提出，在作用有外扰动的控制系统中，应当把控制分成两部分，一部分用来抵消扰动的作用，另一部分用来实现跟踪控制（使系统的状态按给定的规律变化），并建立了这种抵消扰动的理论。,绝对不变性 调节过程的动态偏差和稳态偏差均为零 是一种理想的控制标准。,误差不变性实际上是指准确度有一定限制的不变性，或说与绝对不变性存在一定误差的不变性，又称为不变性，可表示为：当fi(t)0时，|y(t)|，i=1,2,n,稳态不变性 被调量的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零,选择不变性,不变性原理是前馈控制的理论基础,2、反馈控制的特点,系统工作原理主要干扰：加热物料的流量、温度、调节阀前的蒸汽压力等，最主要的是加热的物料流量Q。,反馈的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差出现，也就没有控制作用了。,无论扰动发生在哪里，总有等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种“不及时”的控制。,反馈控制系统，因构成闭环，故存在一个稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。,引起被控量发生偏差的扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影响。,反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。,3、前馈控制的特点,如根据被加热的物料流量Q的变化信号，通过一个扰动补偿器来控制调节阀，就不必等待流量变化后反映到出口温度以后再去进行操作，而是根据流量的变化，立即对调节阀进行操作，甚至可以在出口温度还没有变化前就及时对流量的扰动补偿。,前馈控制的特点,冷物料流量增加,热物料温度降低,热物料温度升高,扰动通道,控制通道,热物料温度不变,FffC,换热器流量的前馈控制,FffT,前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控变量的影响”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。,扰动发生后， 前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。,前馈控制属于开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。,只适用于克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其他扰动无抑制作用，因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。,前馈控制的控制规律，取决于被控对象的特性。因此，往往控制规律比较复杂。,4、前馈与反馈控制的比较,5、前馈控制系统的方框图,框图中，D(s)扰动 ； Y(s)被控量Gd(s)对象扰动通道传递函数Gff(s)前馈调节器 Gp(s)对象传递函数,前馈调节器的传递函数可应用不变性原理定量地导出，其前馈控制系统框图为：,两个传递通道： 从扰动通过对象的扰动通道去影响输出 从扰动通过前馈调节器、对象的调节通道去影响输出,调节作用和扰动作用对被控量的影响是相反的，在一定条件下有可能实现完全补偿。,从前馈补偿作用原理看出，调节器的作用对输出y(t)的影响和扰动作用对y(t)的影响是相反的。,系统的传递函数为：,系统对扰动Q(s)实现完全补偿的条件是：,可得到前馈传递函数：,负号表示调节作用和扰动作用相反。,但前馈控制具有以下的不足之处：,Gp(s)和Gd(s)不能精确获得，或具有时变特性，使Gff(s)不能精确实现，因此扰动影响不能完全补偿,实际工业生产过程中的扰动不止一个,有些扰动不可测量或难以测量,前馈控制对被控变量的控制效果没有检验依据,即使Gp(s)和Gd(s)可以精确获得，但Gff(s)不能物理实现，例如出现纯超前环节。,1、静态前馈控制,只能保持过程在稳态下补偿扰动作用,为了实现静态前馈控制，可以根据换热器的热量平衡关系， 求出静态前馈放大系数。,二、前馈控制系统的结构,换热器热平衡方程为：,热流量,加热蒸汽的流量和汽化热,被加热蒸汽的流量和定压比热容,物料的出口温度 、进口温度,例：换热器的流量静态前馈控制系统的设计,也可根据图中前馈控制器 环节的输入输出关系计算得：,对于上述换热器的例子，设f为流量Q的扰动。若已知：,当流量Q单位阶跃减小，即：,扰动引起的输出量的响应为：,前馈控制引起输出量的响应为：,静态前馈控制中的动态偏差,红色曲线代表流量Q减小所引起的出口温度的响应；蓝色曲线表示减小蒸汽量D所引起的出口温度的响应；出口温度最终稳定在设定值上，却出现了一段时间较小的偏差如绿色曲线所示。,T2,2、动态前馈控制,根据不变性原理，可得：,设前馈广义对象和扰动通道传递函数分别为：,在大多数情况下，只需考虑主要的惯性环节，也就是实现部分补偿，因此，动态前馈算式通常采用近似式：,根据Tp和Td的大小关系，动态前馈控制器的阶跃响应如图。当TpTd时，前馈控制器呈现超前特性；当TpTd时，前馈控制器呈现滞后特性；当Tp=Td时，前馈控制器呈现比例特性，即为静态前馈增益；,前馈控制器的阶跃响应,3、前馈反馈复合控制系统,既发挥了前馈作用，可及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的特点，同时也降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上易于实现。由一个反馈回路和一个开环补偿回路叠加而成的复合系统,+,前馈信号接在反馈控制信号之后,前馈信号接在反馈控制信号之前,实现前馈作用的完全补偿的条件不变 ，即,另一种结构中，,实现完全补偿的条件为：,4、前馈串级复合控制系统,有的生产过程常受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响，而生产过程对被控参数的控制精度和稳定性要求又很高，这时可考虑采用前馈串级控制系统。,系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制能力，而前馈控制能克服进入主回路的扰动。,另外，前馈控制器的输出不直接加在阀门上，而是作为副调节器的给定值，可降低对调节阀门特性的要求。,换热器的前馈串级控制,D，pd,在串级控制系统中，当副回路的工作频率远大于主回路的工作频率时，副回路可近似为1:1环节，前馈控制器的补偿条件为：,静态前馈增益的整定,根据机理分析计算静态前馈增益,经验法：根据输出响应曲线调试静态前馈增益。,三、前馈控制系统的参数整定,实测方法：在工况下实测扰动通道的增益和控制通道的增益，然后相除得到静态的前馈增益,物料流量单位阶跃减小时，不同Kff值下换热器静态调节过程,红色曲线：前馈作用太弱，蒸汽流量减小不足以抵消物料流量的变化，这种情况称为“欠补偿”；,T2,蓝色曲线：前馈过强而产生的“过补偿”现象，此时蒸汽量变化超过物料流量变化所需要的蒸汽量；,绿色曲线出口温度最终回到给定值上，这说明前馈补偿合适。,小 结,小 结,一、概述,系统中的非线性因素，主要存在于两个部分：,非线性增益补偿系统,一部分是用以实现控制的仪表或执行机构中所包含的非线性。例如调节器中的限幅特性，阀门的等百分比、抛物线和快开等特性。它们一般属于典型非线性特性。,另一部分存在于对象本身。例如对象的增益在很多情况下不是常数而是负荷、调节量等因素的非线性函数，通常称之为对象的变增益特性。例如有些对象动态特性的描述本来就是用的非线性方程。,在一个具有变增益对象的系统中，控制过程会出现什么问题？,为了控制回路能正常工作，就必须根据最坏的操作调节，即根据预计的最小流量来整定调节器。,换热器的增益是与被加热物料的流量成反比的。,整定是在正常的负荷下进行的。,当物料流量增大时，由于过程增益变小，在已整定好的温度控制回路的比例增益作用下，过渡过程将会出现过阻尼；,在小流量下，过程增益增大，系统可能出现振荡甚至不稳定。,在不同流量下系统的阶跃响应曲线绿色：正常流量；红色：流量减小；蓝色：流量增加,设法使系统中某一环节具有与对象增益相反的非线性特性，使之与原来非线性特性相补偿，最后使系统的开环增益保持不变，校正为一个线性系统。,1、补偿原理,二、对象静态非线性特性的处理,采用阀门特性 ：利用阀门的对数流量特性来补偿,利用变增益调节器 ：对象的非线性则由非线性调节器的变增益来进行补偿,将包含非线性的环节包含在副回路中。,2、构造串级控制系统,利用函数变换器及各种运算单元：对于变化多端的非线性特性，用变增益调节器来补偿还是比较粗糙的，对于控制要求比较高的系统，恐怕很难得到满意的效果。函数变换器和各种运算单元经过计算、调整和组合可以实现复杂形状的曲线，因而能够较精确地进行补偿。,
