1、過程控制系統及工程信息學院自動化系：孫洪程信息學院自動化系：孫洪程 Email:S第第5 5章章 前饋控制系統前饋控制系統 前饋控制系統前饋控制系統5.1 前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點5.2 前饋控制系統的幾種主要結構形式前饋控制系統的幾種主要結構形式5.3 前饋控制規律的實施前饋控制規律的實施5.4 前饋控制系統的應用前饋控制系統的應用5.5 前饋控制系統的參數整定前饋控制系統的參數整定5.6 多變量前饋控制多變量前饋控制 實驗：前饋控制系統實驗實驗：前饋控制系統實驗 第第5章章5.1 前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度用加熱載體的流量控制被加熱

2、流體的溫度-滯后控制滯后控制 前饋控制前饋控制-按干擾進行控制的開環控制方式按干擾進行控制的開環控制方式(a) 反饋控制方案反饋控制方案 FBC例子：例子：換熱器溫度控制換熱器溫度控制TCFFs1按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響-超前控制超前控制 換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補償由于進料流通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補償由于進料流量變化對出口溫度的影響。量變化對出口溫度的影響。（b）前饋控制方案）前饋控制方案FFC5.1 前

3、饋控制系統的特點前饋控制系統的特點GffFFs15.1 前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點1tF前饋控制系統的補償過程前饋控制系統的補償過程5.1 前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點（1）按干擾作用的大小進行控制按干擾作用的大小進行控制提前，控制及時提前，控制及時 控制的依據控制的依據檢測的信號檢測的信號 控制作用的控制作用的 發生時間發生時間反饋控制反饋控制前饋控制前饋控制被控變量的偏差被控變量的偏差干擾量的大小干擾量的大小被控變量被控變量干擾量干擾量偏差出現后偏差出現后偏差出現前偏差出現前5.1 前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點（2） 前饋控制屬

4、于開環控制前饋控制屬于開環控制 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F圖圖5-3 系統方塊圖系統方塊圖 開環控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設計開環控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設計 的要求比較嚴格的要求比較嚴格對象對象 不象反饋控制通用不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設計依據同而不同。前饋控制器設計依據“擾動補償理論擾動補償理論” 5.1 前饋控制系統的特點前饋控制系統的特點（3） 是一種根據對象特性設計的是一種根據對象特性設計的“專用專用”控制器控制器 GPD(s) GPC(s)Gff(s)1F)(

5、)()(sGsGsGPCPDff缺點缺點5.2 前饋控制系統的幾種主要結構形式前饋控制系統的幾種主要結構形式單純的前饋控制系統單純的前饋控制系統5.2.1 動態前饋控制動態前饋控制實現動態干擾補償實現動態干擾補償( )( )( )PDffPCGsGsGs 靜態前饋控制靜態前饋控制 實現穩定工況下的干擾補償（要求沒有動態那么高）實現穩定工況下的干擾補償（要求沒有動態那么高）( )fffGsK單純的前饋控制系統單純的前饋控制系統5.2.1圖圖5-4 鍋爐汽包三沖量控制鍋爐汽包三沖量控制 FCLC蒸汽量蒸汽量 D液位液位 L流量流量 F靜態前饋控制系統靜態前饋控制系統例子例子1：給水給水蒸汽蒸汽單純

6、的前饋控制系統單純的前饋控制系統5.2.1對于較為簡單的對象，可以寫出靜態方程式對于較為簡單的對象，可以寫出靜態方程式 GffFFs1212()PSiSCFFh例子例子2：Cp - 比熱比熱 hs - 蒸汽的蒸汽的 汽化潛熱汽化潛熱 單純的前饋控制系統單純的前饋控制系統5.2.112()PSiSCFFh圖圖5-5 換熱器的靜態前饋控制流程原理圖換熱器的靜態前饋控制流程原理圖FC1iF2Cp/hs開環不穩定對象，要在控制器設計時注意。開環不穩定對象，要在控制器設計時注意。 單純的前饋控制系統單純的前饋控制系統5.2.1 有時，為了提高動態品質，可在靜態前饋基礎上有時，為了提高動態品質，可在靜態前

7、饋基礎上適當加入動態環節適當加入動態環節 GffD.FS.F K1i2FCp/hs單純前饋控制要注意系統穩定性問題：單純前饋控制要注意系統穩定性問題： 開環通道穩定，開環通道穩定，FFC穩定；穩定；前饋前饋-反饋控制系統反饋控制系統5.2.2 反饋、前饋取長補短，形成前饋反饋、前饋取長補短，形成前饋反饋控制方案反饋控制方案（FFCFBC） 對主要干擾進行前饋控制對主要干擾進行前饋控制校正及時校正及時 對其它干擾進行反饋控制對其它干擾進行反饋控制反饋校正，多干擾控制反饋校正，多干擾控制 單純前饋控制的局限性：單純前饋控制的局限性： （1）不能根據偏差進行控制效果檢驗（不能反饋）不能根據偏差進行控

8、制效果檢驗（不能反饋）而不斷糾正偏差而不斷糾正偏差（2）受模型精度影響）受模型精度影響GPD(s)、GPC(s) （3）一個前饋控制只能處理一個擾動）一個前饋控制只能處理一個擾動前饋前饋-反饋控制系統反饋控制系統5.2.2圖圖5-7 5-7 換熱器換熱器FFC-FBCFFC-FBC系統系統 +GffTCFSF1 FFC按負荷按負荷F的變化校正蒸汽量的變化校正蒸汽量FsFBC根據溫度偏差，對蒸汽量根據溫度偏差，對蒸汽量Fs進行進一步校正。進行進一步校正。 FFC與與FBC作用疊加，又稱復合控制系統作用疊加，又稱復合控制系統。圖58 典型FFCFBC系統方塊圖GPD (s)GC(s)GPC(s)G

9、ff(s)1i1F( )( )1( )( )ffPCCPCGs GsGs Gs1( )( )sF s( )1( )( )PDCPCGsGs Gs)()()(sGsGsGPCPDffGPD(s)十Gff(s)GPC(s)0應用不變性原理：應用不變性原理： F(s)0，1(s)0代入上式中，即可推導出前饋控制器的傳遞函數：代入上式中，即可推導出前饋控制器的傳遞函數：FFCFBC系統實現完全補償的條件是相同的系統實現完全補償的條件是相同的 FFC-FBCFFC-FBC優點：優點：Gff +TCFCFSF 圖圖5-9 換熱器的前饋換熱器的前饋-串級控制系統串級控制系統 2( )( )( )( )PDf

10、fpPCGsGsGs Gs GPD(s)Gff(s)GC(s)GPC(s)GC2(s)GP2(s)F1i122222( )( )( )1( )( )cppcpGs GsGsGs Gs )()()(sGsGsGPCPDffseTsKsG1)(211T s-K+K+1112fs+-+ 輸入 輸出 1211TsT s112112ffsfsesKf K1/(T2s+1)輸入輸入+K=T1/T2-1輸出輸出圖5-12 （T1s+1）/（T2s+1）實施框圖1( )1(1)tTffmtKe=T1/T2 1l（輸出）（輸出）mfT1 T2 超前特性T1 T2 滯后特性T1 =T2 比例特性擾動變量的選擇：擾

11、動變量的選擇：前饋控制是按擾動控制的，因此，擾動必須可測前饋控制是按擾動控制的，因此，擾動必須可測如果擾動易控，可直接采用反饋控制系統來控制；如果擾動易控，可直接采用反饋控制系統來控制；前饋控制針對單一擾動控制，因此，擾動應是主要擾動。前饋控制針對單一擾動控制，因此，擾動應是主要擾動。為克服其他擾動，通常采用前饋為克服其他擾動，通常采用前饋-反饋控制系統。反饋控制系統。主要擾動無法落在串級控制的副環時，用前饋主要擾動無法落在串級控制的副環時，用前饋-反饋，可反饋，可得到更好的控制效果。得到更好的控制效果。 T2CT1CGff+TC燃油燃油原料油原料油(a)串級控制系統(b)前饋反饋控制系統圖514 加熱爐的兩種控制系統圖5l 5 設計錯誤的串級控制系統 TCFCFTCFC原料油燃油11)(21sTsTKsGfffK Kf f