1、1前饋控制系統(tǒng)Feedforward Control2上一講內(nèi)容回顧n介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；n結(jié)合控制原理，具體分析了串級(jí)系統(tǒng)的抗干擾性能；n討論了串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；n介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和；n介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)。3課堂提問(wèn)課堂提問(wèn)1n相比反饋控制，串級(jí)控制更有效抑制干擾，因此在控制方案選擇時(shí)應(yīng)首選串級(jí)控制？n串級(jí)能夠有效抑制副回路中的干擾，因此應(yīng)選擇能包含最多干擾的那個(gè)變量作為副變量？4控制器的正反作用選擇課堂提問(wèn)課堂提問(wèn)25n試分析串級(jí)控制為何能有效抑止二次擾動(dòng)；n試分析串級(jí)系統(tǒng)為何能克服副對(duì)象和調(diào)節(jié)閥的非線性。課堂提問(wèn)課堂提問(wèn)36課堂提問(wèn)課堂提問(wèn)41、如果加

2、熱蒸汽壓力波動(dòng)導(dǎo)致單回路控制效果不理想，怎么辦？2、如果工藝介質(zhì)流量波動(dòng)導(dǎo)致控制效果不理想，怎么辦？7內(nèi) 容n前饋控制的原理n線性前饋控制的設(shè)計(jì)n非線性前饋控制n前饋反饋控制系統(tǒng)8換熱器的反饋控制換熱器的反饋控制TC蒸汽凝液工藝介質(zhì)cp, RF , T1T2HV, RV假設(shè)主要干擾為RF，T19單回路控制的仿真單回路控制的仿真10采用串級(jí)控制？采用串級(jí)控制？n串級(jí)控制需要：n單回路控制不能滿足要求；n可測(cè)量的副變量n副變量需要滿足：n快速反應(yīng)主要干擾的影響n干擾對(duì)副、主變量的影響具有因果關(guān)系n調(diào)節(jié)閥對(duì)副、主變量的影響具有因果關(guān)系NO!無(wú)法采用串級(jí)控制！無(wú)法采用串級(jí)控制！11換熱器的前饋控制方案

3、換熱器的前饋控制方案蒸汽凝液工藝介質(zhì)cp, RF , T1T2HV, RVFFRF12前饋控制的思想前饋控制的思想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。13原理分析原理分析根據(jù)不變性原理，當(dāng)擾動(dòng)F(s)變化時(shí)，對(duì)被控變量無(wú)影響，即與擾動(dòng)變化無(wú)關(guān)0)()()()()(sFsGsGsGsYFoFF)()()(sGsGsGoFFF14靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋n前饋控制分為靜態(tài)前饋和動(dòng)態(tài)前饋兩類n假設(shè)n前饋控制器傳遞函數(shù)sFFFsoooFoesTKsGesTKsG1)(1

4、)(sFoFFsFoOFoFFFoFoFesTsTKesTsTKKsGsGsG)()(1111)()()(11)()(sTsTKsGKKKsGFoFFFFOFFFFF動(dòng)態(tài)補(bǔ)償控制器靜態(tài)補(bǔ)償控制器15舉例：換熱器的前饋控制舉例：換熱器的前饋控制穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)：T1=20，RF=10 T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180。假設(shè)假設(shè)：T2溫度測(cè)量變送的量程為100-300，RV和RF的量程分別為0 5 T/hr和0 25 T/hr。16換熱器的線性前饋控制換熱器的線性前饋控制2( )%( )( )1/DsmDYDFDTsKGseRsT sT hr2( )%( )( )1%Ms

5、mMYCVspMTsKGseRsT s%( )/DMDTGsKT hr177.8( )expexp0.5131DYDDDKGsssT ss 2.0( )expexp0.216.31MYCMMKGsssT ss換熱器的線性前饋控制（續(xù)）換熱器的線性前饋控制（續(xù)）()1( )1DMsDMFFDTMDKT sGseKKT s %( )4.0/DMDTGsKT hr采用階躍響應(yīng)方法測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型：6.31%( )0.975exp0.331%FFsGsss18線性前饋控制的仿真線性前饋控制的仿真有余差19前饋加反饋控制前饋加反饋控制20前饋反饋控制的仿真前饋反饋控制的仿真21非線性穩(wěn)態(tài)前饋控

6、制非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系：VVFpRHTTRc)(12pVvspFvspVcHKTTRKR/, )(11222非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償)()(sgKsGFFFFFF 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：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。23非線性動(dòng)態(tài)前饋控制器非線性動(dòng)態(tài)前饋控制器211()spspVFvRR TTKT1RFT2spRVspkv)()(12sgsg)()(13sgsg動(dòng)態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對(duì)系統(tǒng)輸出T2的通道特

7、性的動(dòng)態(tài)部分。）24 在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對(duì)主要干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。 反饋控制回路的存在，降低了對(duì)前饋控制器的精度要求，有利于簡(jiǎn)化前饋控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對(duì)矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的控制。而前饋反饋控制系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：25系統(tǒng)引進(jìn)前饋控制必須遵循的原則：系統(tǒng)引進(jìn)前饋控制必須遵循的原則： 1 1）系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測(cè)不可控的干擾，反饋控制難以克系統(tǒng)存在頻率高、幅值大、可測(cè)不可控的干擾，反饋控制難以

8、克 服、控制要求高時(shí)；服、控制要求高時(shí)；2 2）控制通道時(shí)常大于干擾通道時(shí)常，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差；控制通道時(shí)常大于干擾通道時(shí)常，反饋控制不及時(shí)，控制質(zhì)量差；3 3）主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或副回路滯后過(guò)大時(shí)；主要干擾無(wú)法用串級(jí)控制使其包含于副回路或副回路滯后過(guò)大時(shí)；4 4）盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。盡可能采用靜態(tài)補(bǔ)償而不采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。26前饋控制與反饋控制的比較前饋控制與反饋控制的比較 前前 饋饋 控控 制制 反反 饋饋 控控 制制擾動(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(wèn)題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)

9、）開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問(wèn)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(wú)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)27前饋反饋控制方案前饋反饋控制方案1蒸汽凝液工藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1前饋控制器28前饋反饋控制方案前饋反饋控制方案2蒸汽凝液工藝介質(zhì)T2RVRFFCT2spRVspTCT1k1前饋控制器特點(diǎn)：可克服對(duì)象的非線性，或具有變?cè)鲆婵刂破鞯墓δ堋VFpRHTTRc)(1229討討 論論n引入前饋控制的可能應(yīng)用場(chǎng)合：n常規(guī)反

10、饋控制系統(tǒng)難以滿足要求；n干擾可測(cè)。n應(yīng)用前饋控制的前提條件：n主要干擾可測(cè)；n調(diào)節(jié)閥與被測(cè)干擾之間沒(méi)有因果關(guān)系；n干擾通道的響應(yīng)速度比控制通道慢，至少應(yīng)接近；n干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)特性變化不大。30本章作業(yè)：本章作業(yè)：1. 如圖示加熱爐，采用控制燃料氣流量來(lái)保證加熱爐出口溫度恒定。1) 若進(jìn)料量是主要擾動(dòng)且不可控制時(shí)，設(shè)計(jì)合理的控制方案，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。2) 當(dāng)燃料氣閥前壓力是是主要擾動(dòng)且不可控時(shí)，設(shè)計(jì)合理的控制方案，并作簡(jiǎn)要說(shuō)明。 31322. 某前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)如圖所示。已知：求：（1）繪出該系統(tǒng)方框圖。（2）計(jì)算前饋控制器的數(shù)學(xué)模型。3）假定控制閥為氣開(kāi)式，試確定各控制器的正/反作

11、用。;123)(; 1)()(; 2)(; 9)()(012121ssGsGsGSGSGSGmmVCC;125 .0)(;123)(02ssGssGf333. 判斷系統(tǒng)類型判斷系統(tǒng)類型344. 在如圖所示的鍋爐三沖量液位控制系統(tǒng)中，1）三沖量是指哪三個(gè)沖量？在圖中畫出控制系統(tǒng)流程圖 2）畫出其控制系統(tǒng)方框圖；3）從保護(hù)鍋爐的角度，選擇閥門開(kāi)關(guān)型式；4）在圖中標(biāo)明各環(huán)節(jié)傳函的正負(fù)符號(hào)；5）確定調(diào)節(jié)器的正反作用；6）簡(jiǎn)述蒸汽負(fù)荷增大時(shí)和供水壓力增加時(shí)系統(tǒng)分別如何進(jìn)行調(diào)節(jié)。 355.分析系統(tǒng)分析系統(tǒng)36課前題目：課前題目：(15分)如左下圖所示為聚合釜溫度控制系統(tǒng)。試問(wèn)： （1）這是一個(gè)什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出它的方框圖； （2）如果聚合釜的溫度不允許過(guò)高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)型式； （3）確定主、副控制器的正、反作用； （4）簡(jiǎn)述當(dāng)冷卻水壓力變化時(shí)的控制過(guò)程； （5）如果選擇夾套內(nèi)的水溫作為副變量構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，請(qǐng)?jiān)谟蚁聢D畫出它的原理圖，并確定主、副控制器的正、反作用。37