第四章過程控制

1、第十四講第十四講 前饋控制系統(tǒng)基本概念前饋控制系統(tǒng)基本概念 v主要內(nèi)容主要內(nèi)容 反饋控制廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)，具有通用性強(qiáng)、魯反饋控制廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)，具有通用性強(qiáng)、魯 棒性好、可克服所有干擾、無需建立對象模型等特點(diǎn)。棒性好、可克服所有干擾、無需建立對象模型等特點(diǎn)。 但是，反饋控制只有在被控變量產(chǎn)生偏差以后才能但是，反饋控制只有在被控變量產(chǎn)生偏差以后才能 夠產(chǎn)生校正作用，因此不能實(shí)現(xiàn)被控變量完全不受干擾夠產(chǎn)生校正作用，因此不能實(shí)現(xiàn)被控變量完全不受干擾 影響的理想控制。影響的理想控制。 反饋控制不能提供預(yù)測的功能，無法補(bǔ)償已知的或反饋控制不能提供預(yù)測的功能，無法補(bǔ)償已知的或 可以測量的干擾的影響

2、，而且當(dāng)被控變量不能在線測量可以測量的干擾的影響，而且當(dāng)被控變量不能在線測量 時，反饋控制時無法補(bǔ)償。時，反饋控制時無法補(bǔ)償。 對于那些采用反饋控制無法獲得滿意效果且干擾可對于那些采用反饋控制無法獲得滿意效果且干擾可 在線測量的過程，加入前饋控制能夠改善控制品質(zhì)。在線測量的過程，加入前饋控制能夠改善控制品質(zhì)。 ( ) ( )( )( )( )0,( )=0 ( ) m YDYCFFDMm Ys GsGs Gs GsYs D s 即 ( ) ( ) ( )( ) YD FF YCDM Gs Gs Gs Gs ( ) ( )( )( )( )0,( )=0 ( ) m YDYCFFDMm Ys G

3、sGs Gs GsYs D s 即 不變性原理不變性原理是前饋控制的理論基礎(chǔ)。是前饋控制的理論基礎(chǔ)。“不變性不變性” 是指控制系統(tǒng)的被控變量不受擾動變量變化的影響。是指控制系統(tǒng)的被控變量不受擾動變量變化的影響。 進(jìn)入控制系統(tǒng)中的擾動會通過被控對象的內(nèi)部關(guān)聯(lián)，進(jìn)入控制系統(tǒng)中的擾動會通過被控對象的內(nèi)部關(guān)聯(lián)， 使被控變量發(fā)生偏離其設(shè)定值的變化。使被控變量發(fā)生偏離其設(shè)定值的變化。不變性原理不變性原理 是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動對被控變是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動對被控變 量的這種影響。量的這種影響。 有以下幾種類型的不變性：有以下幾種類型的不變性： （1）絕對不變性）絕對不變性 指在

4、擾動的作用下被控變量指在擾動的作用下被控變量 在整個過程中始終保持不變；在整個過程中始終保持不變； （2）誤差不變性）誤差不變性 指在擾動的作用下被控變量指在擾動的作用下被控變量 的波動小于一個很小值；的波動小于一個很小值； （3）穩(wěn)態(tài)不變性）穩(wěn)態(tài)不變性 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控變量系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控變量 與擾動無關(guān)；與擾動無關(guān)； （4）選擇不變性）選擇不變性 被控變量往往受到若干個干被控變量往往受到若干個干 擾的影響，若系統(tǒng)對其中幾個主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變擾的影響，若系統(tǒng)對其中幾個主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變 性補(bǔ)償，就稱為選擇不變性。性補(bǔ)償，就稱為選擇不變性。 前饋控制系統(tǒng)實(shí)際上是根據(jù)不變性原理對干擾前饋

5、控制系統(tǒng)實(shí)際上是根據(jù)不變性原理對干擾 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。 二、前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)二、前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) （1 1）前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時）前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時 前饋控制是針對干擾作用進(jìn)行控制的。當(dāng)干擾前饋控制是針對干擾作用進(jìn)行控制的。當(dāng)干擾 一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定 規(guī)律進(jìn)行控制。當(dāng)干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生規(guī)律進(jìn)行控制。當(dāng)干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生 變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用把偏差徹底消變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用把偏差徹底消 除。除。 前饋控

6、制前饋控制反饋控制反饋控制 相關(guān)干擾可測量相關(guān)干擾可測量被控變量可測量被控變量可測量 基于干擾操作基于干擾操作 操作變量操作變量 基于被控變量控制誤差操作操基于被控變量控制誤差操作操 作變量作變量 開環(huán)，無穩(wěn)定性問題開環(huán)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)，穩(wěn)定性至關(guān)重要閉環(huán)，穩(wěn)定性至關(guān)重要 只有部分干擾可檢測只有部分干擾可檢測 全部干擾均通過被控變量可感全部干擾均通過被控變量可感 受受 控制通道與相關(guān)干擾通道的精確控制通道與相關(guān)干擾通道的精確 數(shù)學(xué)模型均需要獲得數(shù)學(xué)模型均需要獲得 不需要對象的數(shù)學(xué)模型不需要對象的數(shù)學(xué)模型 （2 2）前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)）前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制

7、系統(tǒng)，而前饋控反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控 制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生制是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生 控制作用對被控變量進(jìn)行影響，而被控變量并不會控制作用對被控變量進(jìn)行影響，而被控變量并不會 反過來影響前饋控制器的輸入信號（擾動量）。因反過來影響前饋控制器的輸入信號（擾動量）。因 此，采用前饋控制時，對被控對象的了解必須比采此，采用前饋控制時，對被控對象的了解必須比采 用反饋控制時清楚得多。用反饋控制時清楚得多。 （3 3）前饋控制采用的是由對象特性確定的）前饋控制采用的是由對象特性確定的“專用專用” 控制器控制器 一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的一般

8、的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的PIDPID控制器，控制器， 而前饋控制器是專用控制器，對于不同的對象特性，而前饋控制器是專用控制器，對于不同的對象特性， 前饋控制器的形式是不同的。前饋控制器的形式是不同的。 總 結(jié) v可能引入前饋控制的場合可能引入前饋控制的場合 (1) 基本的被控變量不可測基本的被控變量不可測 (2) 基本的被控變量可測，但某些干擾太強(qiáng)以至于反饋控制基本的被控變量可測，但某些干擾太強(qiáng)以至于反饋控制 系統(tǒng)難以滿足工藝要求系統(tǒng)難以滿足工藝要求 v運(yùn)用前饋控制的條件運(yùn)用前饋控制的條件 (1) 主要干擾是可測的主要干擾是可測的 (2) 干擾通道的響應(yīng)速度低于控制通道的響應(yīng)速度干擾通道的響

9、應(yīng)速度低于控制通道的響應(yīng)速度 (3) 干擾通道與控制通道的動態(tài)特性幾乎是不變的，或者是干擾通道與控制通道的動態(tài)特性幾乎是不變的，或者是 可抵消的可抵消的 小結(jié)小結(jié) 謝 謝！ 第十五講第十五講 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 v主要內(nèi)容主要內(nèi)容 ( ) ( ) ( ) YD FF YC Gs Gs Gs ( ) ( ) ( ) YD FF YC Gs Gs Gs (0)K (0)= (0)K YDYD FF YCYC G G G ( ) ( ) ( ) YD FF YC Gs Gs Gs (0)K (0)= (0)K YDYD FF YCYC G G G ( ) ( ) ( ) Y

10、D FF YC Gs Gs Gs 由于下列原因前饋控制會存在偏差：由于下列原因前饋控制會存在偏差： （1）實(shí)際的工業(yè)過程中存在多個擾動，若）實(shí)際的工業(yè)過程中存在多個擾動，若 對每個擾動都設(shè)置前饋通道，會增加控制系統(tǒng)投對每個擾動都設(shè)置前饋通道，會增加控制系統(tǒng)投 資費(fèi)用，一般只選擇幾個主要干擾加以前饋控制。資費(fèi)用，一般只選擇幾個主要干擾加以前饋控制。 （2）受前饋控制模型精度的限制。）受前饋控制模型精度的限制。 （3）構(gòu)建的前饋控制器是近似的，當(dāng)綜合）構(gòu)建的前饋控制器是近似的，當(dāng)綜合 得到的前饋控制算法中包含純超前環(huán)節(jié)或純微分得到的前饋控制算法中包含純超前環(huán)節(jié)或純微分 環(huán)節(jié)時，它們在物理上是不能實(shí)

11、現(xiàn)的，一般將純環(huán)節(jié)時，它們在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的，一般將純 超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，純微分環(huán)節(jié)處理為超超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，純微分環(huán)節(jié)處理為超 前滯后環(huán)節(jié)。前滯后環(huán)節(jié)。 前饋前饋-反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)： （1）從前饋的控制角度，由于增加了反饋）從前饋的控制角度，由于增加了反饋 控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并且控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并且 對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。 （2）從反饋控制角度，由于前饋控制的存）從反饋控制角度，由于前饋控制的存 在，對干擾作了及時的粗調(diào)作用，大大減小了反在，對干擾作了及時的粗調(diào)作用，大

12、大減小了反 饋控制的負(fù)擔(dān)。饋控制的負(fù)擔(dān)。 ( ) ( ) ( ) YD FF YC Gs Gs Gs ( ) ( ) ( ) YD FF YC Gs Gs Gs ( ) 1 YDs YD YD YD K Gse T s ( ) 1 YCsYC YC YC K Gse T s 1 ( ) 1 YDYC s YDYC FF YCYD KT s Gse KT s YDYC YDYC s e s sT sT KsG FF YD YC FFFF exp 1 1 )( YD FF YC K K K max 0, FFYDYC 1 ( ) 1 YDYC s YDYC FF YCYD KT s Gse KT

13、s 小結(jié)小結(jié) 謝 謝！ 第十六講第十六講 比值控制系統(tǒng)的概念比值控制系統(tǒng)的概念 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 溶液配制問題溶液配制問題 溶液配制問題溶液配制問題 流量比值控制問題 后 續(xù) 裝 置 物料 B 物料 A QB QA 2 1 Q k Q 一般的流量比值控制問題 IA IB K F2C F1C QB QA 小結(jié)小結(jié) 謝 謝！ 第十七講第十七講 比值控制系統(tǒng)的設(shè)計比值控制系統(tǒng)的設(shè)計 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 （1）主、從動量的確定）主、從動量的確定 設(shè)計比值控制系統(tǒng)時，首先要確定主、從動量：設(shè)計比值控制系統(tǒng)時，首先要確定主、從動量： 在生產(chǎn)過程中起主導(dǎo)作用、可測而不可控、較昂貴在生產(chǎn)過程中起主導(dǎo)作用、可測而

14、不可控、較昂貴 的物料流量一般為主動量。以主動量為準(zhǔn)進(jìn)行配比的物料流量一般為主動量。以主動量為準(zhǔn)進(jìn)行配比 的物料流量為從動量。的物料流量為從動量。 （2）控制方案的選擇）控制方案的選擇 根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動性質(zhì)和根據(jù)不同的工藝情況、負(fù)荷變化、擾動性質(zhì)和 控制要求等進(jìn)行合理選擇。控制要求等進(jìn)行合理選擇。 （3）控制器控制規(guī)律的確定）控制器控制規(guī)律的確定 單閉環(huán)控制中從動回路控制器選用單閉環(huán)控制中從動回路控制器選用PI控制規(guī)律，控制規(guī)律， 起比值控制和穩(wěn)定從動量的作用。起比值控制和穩(wěn)定從動量的作用。 雙閉環(huán)控制中主、從動回路調(diào)節(jié)器選用雙閉環(huán)控制中主、從動回路調(diào)節(jié)器選用PI控制控制 規(guī)律，不僅起比值控制作用，而且要起穩(wěn)定各自的規(guī)律，不僅起比值控制作用，而且要起穩(wěn)定各自的 物料流量的作用。物料流量的作用。 變比值控制可仿效串級系統(tǒng)控制規(guī)律的選用原變比值控制可仿效串級系統(tǒng)控制規(guī)律的選用原 則。則。 （4）比值系數(shù)）比值系數(shù)K的選取范圍的選取范圍 相乘形式：相乘形式：K值如果太