1、Ge Sibo，Department of Automation16.4 前饋反饋控制技術(shù) 6.4.1 反饋控制和前饋控制的特點(diǎn) 6.4.2 不變性原理與前饋控制器 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式第六章 常規(guī)控制技術(shù)（二）前饋反饋控制Ge Sibo，Department of Automation2 前面各部分討論的控制系統(tǒng)，都是帶有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)被控系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差，控制器才有動(dòng)作，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)控制參數(shù)的影響。 若能在擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)就進(jìn)行控制，而不是等到偏差發(fā)生后再進(jìn)行控制，這樣就能更有效地消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。前饋控制就是依據(jù)這個(gè)思路提出來(lái)的。 Ge Sib

2、o，Department of Automation3 反饋控制的特點(diǎn) 例如圖所示為換熱器溫度控制系統(tǒng)原理框圖。圖中：Q2為熱流體溫度；Q1為冷流體溫度，q為流體的流量，qD為蒸汽的流量，pD為蒸汽的壓力，kv為調(diào)節(jié)閥開度。 6.4.1 反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)-反饋控制的特點(diǎn)Ge Sibo，Department of Automation4上圖中，當(dāng)擾動(dòng)（物料流量q，入口溫度q1，蒸汽壓力pD）發(fā)生后，引起：22202qqqqDvqke 6.4.1 反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)-反饋控制的特點(diǎn)Ge Sibo，Department of Automation5 6.4.1 反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)

3、-反饋控制的特點(diǎn)反饋控制的特點(diǎn)為：u 反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來(lái)消除偏差”。如果沒有偏差出現(xiàn)，也就沒有控制作用。u無(wú)論擾動(dòng)發(fā)生在那里，總要等到引起被控量發(fā)生偏差后，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作。故調(diào)節(jié)器的動(dòng)作總是落后于擾動(dòng)作用的發(fā)生，是一種相對(duì)“不及時(shí)”的控制。Ge Sibo，Department of Automation6 前饋控制的特點(diǎn) 例換熱器前饋控制。如果該系統(tǒng)中物料流量q是被控量q2的主要擾動(dòng)。如果q變化頻繁且幅值大，對(duì)出口溫度q2的影響最大。這時(shí)可考慮采用前饋控制。2qvftkuq 6.4.1 反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)-前饋控制的特點(diǎn)Ge Sibo，Department of Automati

4、on7u 前饋控制器“基于擾動(dòng)來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響”，又稱前饋控制為“擾動(dòng)補(bǔ)償”。u 擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器“及時(shí)”動(dòng)作，對(duì)抑制被控量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)、靜態(tài)偏差比較有效。u 前饋控制屬于開環(huán)控制。因此只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。u 一條前饋只對(duì)被前饋的可測(cè)而不可控的擾動(dòng)有校正作用，而對(duì)系統(tǒng)中的其它擾動(dòng)無(wú)校正作用。u 前饋控制器的控制律有時(shí)較復(fù)雜。 6.4.1 反饋控制和前饋控制的特點(diǎn)-前饋控制的特點(diǎn)Ge Sibo，Department of Automation81、不變性原理：控制系統(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無(wú)關(guān)，或在一定的準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)。 任何一個(gè)系統(tǒng)，總是希望被控量受擾動(dòng)

5、的影響越小越好。如圖：當(dāng)f(t)不為零時(shí)，該系統(tǒng)的不變性定義為：0)(ty 按照控制系統(tǒng)輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)的不變性程度，有絕對(duì)不變性、e不變性和穩(wěn)態(tài)不變性等幾種不變性類型。 6.4.2 不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)-不變性原理Ge Sibo，Department of Automation9 絕對(duì)不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)f(t)的作用下，被控參數(shù)y(t)在整個(gè)過(guò)程中始終保持不變。即e動(dòng)e靜0。如下圖所示。圖中；f(t)為擾動(dòng)，y1(t)為由擾動(dòng)引起的被控參數(shù)的變化。y2(t)為前饋控制器對(duì)被控參數(shù)的影響。y(t)為被控參數(shù)的實(shí)際變化量。y(t)=y1(t)+y2(t)=0 6.4.2 不變性原理與前

6、饋控制器設(shè)計(jì)Ge Sibo，Department of Automation10 e不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)f(t)的作用下，被控參數(shù)y(t)的偏差小于一個(gè)很小的e值。即|y(t)|e，當(dāng)f(t)不為零時(shí)。 穩(wěn)態(tài)不變性：指系統(tǒng)在擾動(dòng)f(t)的作用下，雖然被控參數(shù)y(t)的動(dòng)態(tài)偏差不為零，但其靜態(tài)偏差恒為零，即：0)( , 0)(limtftyt 6.4.2 不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)Ge Sibo，Department of Automation11 6.4.2 不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)-前饋控制器2、前饋控制器： 前饋控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)是不變性原理。前饋控制系統(tǒng)由兩部分組成。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，通過(guò)擾

7、動(dòng)通道引起被控量的變化。同時(shí)，前饋控制器根據(jù)擾動(dòng)的性質(zhì)及大小對(duì)過(guò)程的控制通道施加控制，使被控量發(fā)生與前者相反的變化，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響。Ge Sibo，Department of Automation12前饋控制器的典型結(jié)構(gòu)圖中，Gn(s)是被控對(duì)象擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)；Dn(s)是前饋控制器的傳遞函數(shù)；G(s)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。n為可測(cè)不可控的干擾；y為被控參數(shù)；假定u10，有：)()()()()()()(21sNsGsGsDsYsYsYnn整理得：)()()()()(sGsGsDsNsYnn 6.4.2 不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)-前饋控制器的典型結(jié)構(gòu)Ge Sibo，Departm

8、ent of Automation13根據(jù)絕對(duì)不變性原理：0)()()()()(sGsGsDsNsYnn由此得到前饋控制器傳遞函數(shù)為：)()()(sGsGsDnn也可由e不變性或穩(wěn)態(tài)不變性原理來(lái)設(shè)計(jì)前饋控制器。（略） 6.4.2 不變性原理與前饋控制器設(shè)計(jì)-前饋控制器的典型結(jié)構(gòu)Ge Sibo，Department of Automation14 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng) 根據(jù)穩(wěn)態(tài)不變性原理設(shè)計(jì)靜態(tài)前饋控制器。這種補(bǔ)償只能在穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償。mnnKsGsGsD)()()( 動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng) 根據(jù)絕對(duì)不變性原理設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)前饋控制器。)()()(sGsGsDnn 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-靜

9、態(tài)和動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation15 前饋反饋控制系統(tǒng)（一） 前饋控制的局限性 前饋控制屬于開環(huán)控制。故一般不單獨(dú)使用前饋控制； 完全補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn)。（1）難以準(zhǔn)確地掌握過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道Gn(s) 和G(s)的特性。有些過(guò)程對(duì)象常含有非線性特性，在不同的工況下，動(dòng)態(tài)性能參數(shù)將變化，單一的前饋模型難以適應(yīng)。（2）有些前饋模型Dn(s)難以實(shí)現(xiàn)，只能用計(jì)算機(jī)完成。（3）一個(gè)擾動(dòng)需要一個(gè)測(cè)量變送裝置，干擾多時(shí)，造成控制系統(tǒng)龐大。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation

10、16（二） 前饋反饋控制系統(tǒng) 為了解決上述前饋控制的局限性，吸收前饋控制對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用和反饋控制對(duì)偏差的控制作用的優(yōu)點(diǎn)，可組成前饋反饋控制系統(tǒng)。例煉油裝置加熱爐的前饋反饋控制系統(tǒng)。圖中，q為被控量，物料流量qF經(jīng)常發(fā)生變化。因而對(duì)此干擾實(shí)行前饋控制。當(dāng)qF變化時(shí)，通過(guò)FT，F(xiàn)FC的信號(hào)變化，從而調(diào)節(jié)閥門的開度，改變q。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation17（三） 典型前饋反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation18

11、n 典型前饋反饋控制系統(tǒng)控制效果分析（一）圖(a)中前饋信號(hào)接在反饋控制器之后。可知：在擾動(dòng)N(s)的作用下，系統(tǒng)的輸出為：)()()()()()()()()(sYsGsDsNsGsDsNsGsYnn上式中：右邊第一項(xiàng)為干擾對(duì)輸出量的影響，第二項(xiàng)為前饋校正作用，第三項(xiàng)為反饋校正作用。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation19傳遞函數(shù)為：)()(1)()()()()(sGsDsGsDsGsNsYnn分析 (1)：在單純的前饋控制時(shí)，有：)()()()()(sGsDsGsNsYnn與上式相比，前饋反饋控制時(shí)干擾對(duì)被控量

12、的影響比單純前饋控制小 倍。)()(11sGsD 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation20分析 (2)：在前饋反饋控制系統(tǒng)中，根據(jù)絕對(duì)不變性原理得：)()()(0)()(1)()()()()(sGsGsDsGsDsGsDsGsNsYnnnn這與單純前饋控制系統(tǒng)時(shí)相同分析(3)：在反饋控制系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)精度與穩(wěn)定性存在矛盾。而前饋反饋控制能在一定的程度上解決這一矛盾，提高控制品質(zhì)。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation21n 典型前饋反饋控

13、制系統(tǒng)控制效果分析（二）圖(b)中前饋信號(hào)接在反饋控制器之前。可知：在擾動(dòng)N(s)的作用下，系統(tǒng)的輸出為：)()()()()()()()()()(sYsGsDsNsGsDsDsNsGsYnn傳遞函數(shù)為：)()(1)()()()()()(sGsDsGsDsDsGsNsYnn在完全補(bǔ)償條件下（絕對(duì)不變性），前饋控制器為：)()()()(sGsDsGsDnn 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation22（四）數(shù)字前饋反饋控制算法圖中：T為采樣周期；Dn(z)為前饋控制器； D (z)為反饋控制器； H(s)為零階保持器；假設(shè)

14、：212211211)(1)(，ssnesTKsGesTKsG 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation23122112/1/1)()()(TKTKKeTsTsKsNsusDfsfnn，)(1)()(1)(21tnTdttdnKtuTdttdufnn若采樣周期T足夠短（并設(shè)=mT，即純滯后時(shí)間是采樣周期T的整數(shù)倍） ，可對(duì)微分項(xiàng)離散化，得到差分方程。)()()(sGsGsDnn 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)212211211)(1)(，ssnesTKsGesTKsGGe Sibo，Dep

15、artment of Automation24)(1)()(1)(21tnTdttdnKtuTdttdufnnTmkumkudttduTkukudttduTdtmkntnkutunnnnnnnn) 1()()() 1()()()()()()()()()() 1()() 1()(111122111111TTTKBTTTTTTKBTTTAmknBmknBkuAkufmfmmmnn， 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation25（五）數(shù)字前饋反饋控制算法步驟步驟一計(jì)算反饋控制的偏差e(k)；e(k)=r(k)-y(k)步

16、驟二計(jì)算反饋控制器（PID）的輸出u1(k)；)() 1()()1()()()()(1111kukukukekeKkeKkeKkudip 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation26 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-數(shù)字前饋反饋控制系統(tǒng)步驟三計(jì)算前饋控制器Dn(s)的輸出un(k)；)() 1()() 1()() 1()(11kukukumknBmknBkuAkunnnmmnn步驟四計(jì)算前饋反饋控制器的輸出u(k)；)()()(1kukukunGe Sibo，Department of Automation27

17、（六）前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 前饋控制是開環(huán)控制，必須要求系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)要穩(wěn)定。對(duì)于無(wú)自平衡能力的系統(tǒng)，不能單獨(dú)使用前饋控制。 事實(shí)上，只要反饋或串級(jí)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定的，則相應(yīng)的前饋反饋系統(tǒng)或前饋串級(jí)控制系統(tǒng)也是穩(wěn)定的。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性Ge Sibo，Department of Automation28（七）前饋控制的選用原則 實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動(dòng)量不可控但可測(cè)。 可測(cè)： 指擾動(dòng)量可以通過(guò)測(cè)量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器可接受的信號(hào)。不可測(cè)的信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)前饋。 不可控： 指擾動(dòng)量難以通過(guò)專門的控制回路予以控制。 6.4.3 前饋控制的幾種

18、結(jié)構(gòu)形式-前饋控制的選用原則Ge Sibo，Department of Automation29 擾動(dòng)量變化頻繁且幅度較大在擾動(dòng)量N(s)的作用下，輸出量：)()()(1)()()()(1sNsGsDsGsDsGLtynn 擾動(dòng)量N(s)的幅值越大，輸出量y(t)越大。這時(shí)單純使用反饋控制，動(dòng)態(tài)偏差可能很大?？梢钥紤]使用前饋控制。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋控制的選用原則Ge Sibo，Department of Automation30 前饋串級(jí)控制系統(tǒng) 在實(shí)際應(yīng)用中，常采用前饋串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如下圖所示。圖中：D1(s)、D2(s)分別為主、副控制器傳遞函數(shù)； Dn(s)

19、為前饋控制器傳遞函數(shù)；G1(s)、G2(s)分別為主、副對(duì)象。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋串級(jí)控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation31前饋串級(jí)控制能及時(shí)克服進(jìn)入前饋回路和串級(jí)副回路的干擾對(duì)被控量的影響，因前饋控制的輸出不是直接作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而是補(bǔ)充到串級(jí)控制的副回路的給定值中，這樣就降低了對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求。這也是前饋反饋控制被廣泛采用的原因之一。 6.4.3 前饋控制的幾種結(jié)構(gòu)形式-前饋串級(jí)控制系統(tǒng)Ge Sibo，Department of Automation32設(shè)副回路的傳遞函數(shù)為W2(s)。則上圖可簡(jiǎn)化為：)()()(1)()()()()()(12112sGsWsDsGsWsDsGsNsYnn則：)()()()()()()()()()(