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文檔簡介

1、前饋控制系統(tǒng)的基本原理前饋控制系統(tǒng) 前饋控制系統(tǒng)的基本原理前饋控制的基本概念是測取進入過程的干擾(包括外界干擾和設(shè)定值變化),并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量,使受 控變量維持在設(shè)定值上。圖2.4-1物料出口溫度 需要維持恒定,選 用反饋控制系統(tǒng)。若考慮干擾僅是物料流量Q,則可組成圖2.4-2前Gs為操縱變量圖2.4-2 前饋控制圖2.4-1反饋控制前饋控制的方塊圖,如圖2.4-3系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為:Gpd(S) Gff(S)Gpc(S) Q(S)(2.4-1)式中Gpd (s)、Gpc (s)分別表示對象干擾道和控制通道的傳遞函數(shù); Gff(s)為前饋控圖2.4-3前饋控制方塊

2、圖制器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)對擾動Q實現(xiàn)全補償?shù)臈l件是:木Q51(2.4-2 )Q(s) 0 時,要求(s) 0 將(1-2 )式代入(1-1 )式,可得這種全補償過程。在Q階躍干擾下,調(diào)節(jié)作用c和干擾作用d的響應(yīng)曲線方向相反,幅值相同。所以它們的合成結(jié)果,可使達到 圖2.4-4前饋控制全補償示意圖 理想的控制連續(xù)地維持在恒定的設(shè)定值上。顯然,這種理想的控制性 能,反饋控制系統(tǒng)是做不到的。這是因為反饋控制是按被控變量的偏 差動作的。在干擾作用下,受控變量總要經(jīng)歷一個偏離設(shè)定值的過渡 過程。前饋控制的另一突出優(yōu)點是,本身不形成閉合反饋回路,不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題,因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性矛盾。 由

3、以上反饋控制系統(tǒng)與前饋控制系統(tǒng)方塊圖可知:1.前饋控制與反饋控制的比較2.4-6前饋控制方塊圖流量1)前饋是“開環(huán)”,反饋是“閉環(huán)”控制系統(tǒng)從圖上可以看到,表面上,兩種控制系統(tǒng)都形成了環(huán)路, 但反饋 控制系統(tǒng)中,在環(huán)路上的任一點,沿信號線方向前行,可以回到出發(fā) 點形成閉合回路,成為“閉環(huán)”控制系統(tǒng)。而在前饋控制系統(tǒng)中,在環(huán)路上的任一點,沿信號線方向前行,不能回到出發(fā)點,不能形成 閉合環(huán)路,因此稱其為“開環(huán)”控制系統(tǒng)。2)前饋系統(tǒng)中測量干擾量,反饋系統(tǒng)中測量被控變量在單純的前饋控制系統(tǒng)中,不測量被控變量,而單純的反饋控制 系統(tǒng)中不測量干擾量。3)前饋需要專用調(diào)節(jié)器,反饋一般只要用通用調(diào)節(jié)器由于前

4、饋控制的精確性和及時性取決于干擾通道和調(diào)節(jié)通道的 特性,且要求較高,因此,通常每一種前饋控制都采用特殊的專用調(diào) 節(jié)器,而反饋基本上不管干擾通道的特性,且允許被控變量有波動, 因此,可采用通用調(diào)節(jié)器。4)前饋只能克服所測量的干擾,反饋則可克服所有干擾前饋控制系統(tǒng)中若干擾量不可測量, 前饋就不可能加以克服。而 反饋控制系統(tǒng)中,任何干擾,只要它影響到被控變量,都能在一定程 度上加以克服。5)前饋理論上可以無差,反饋必定有差如果系統(tǒng)中的干擾數(shù)量很少,前饋控制可以逐個測量干擾,加以 克服,理論上可以做到被控變量無差。 而反饋控制系統(tǒng),無論干擾的多與少、大與小,只有當(dāng)干擾影響到被控變量,產(chǎn)生“差”之后,才

5、 能知道有了干擾,然后加以克服,因此必定有差 前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式1 .靜態(tài)前饋由(1-3 )式求得的前饋控制器,它已考慮了兩個通道的動態(tài)情況,是一種動態(tài)前饋補償器。它追求的目標(biāo)是受控變量的完全不變性。而在實際生產(chǎn)過程中,有時并沒有如此高的要求。只要在穩(wěn)態(tài)下,實現(xiàn)對擾動的補償。令(1-3 )式中的S為0,即可得靜態(tài)前饋控制算式:Gf(0)Gpd (0)Gpc(0)(244 )利用物料(或能量)衡算式,可方便地獲取較完善的靜態(tài)前饋算式。例如,圖2-4-2所示的熱交換過程,假若忽略熱損失,其熱平衡關(guān)系 可表述為:QC p(0 i ) GsHs(2.4-5 )式中Cp物料比熱H s 蒸汽汽化潛

6、熱Q物料量流量Gs 載熱體(蒸汽)流量換熱器入口溫度0換熱器出口溫度由(2.4-5 )式可解得:Gs Q?( o i)H s(2.4-6 )用物料出口溫度的設(shè)定值io代替上式中的°,可得CPGs=Q - (io i )H S(2.4-7)上式即為靜態(tài)前饋控制算式。相應(yīng)的控制流程示于圖2-4-7圖2.4-7換熱器的靜態(tài)前饋控制圖中虛線框表示了靜態(tài)前饋控制裝置。 它是多輸入的,能對物料 的進口溫度、流量和出口溫度設(shè)定值作出靜態(tài)前饋補償。由于在(2.4-7 )式中,Q與(B li - 0 2)是相乘關(guān)系,所以這是一個非線 性算式。由此構(gòu)成的靜態(tài)前饋控制器也是一種靜態(tài)非線性控制器。應(yīng)該注意到

7、,假若(2.4-5 )式是對熱平衡的確切描述的話,那 么由此而構(gòu)筑的非線性前饋控制器能實現(xiàn)靜態(tài)的全補償。對變量間存在相乘(或相除)關(guān)系的過程,非線性是很嚴重的,假若通過對它們 采用線性化處理來設(shè)計線性的前饋控制器,則當(dāng)工作點轉(zhuǎn)移時,往往會帶來很大誤差。在化工工藝參數(shù)中,液位和壓力反映的是流量的積累量,因此液 位和壓力的前饋計算一般是線性的。但是溫度和成分等參數(shù)它們代表 流體的性質(zhì),其前饋計算常以非線性面目出現(xiàn)。 從采用前饋控制的必 要性來看,一般是溫度和成分甚于液位和壓力。 一方面是由于穩(wěn)定前 者的重要性往往甚于后者,另一方面溫度和成分對象一般有多重滯 后,僅采用反饋調(diào)節(jié),質(zhì)量還會不和要求。增

8、加前饋補償是改進控制 的一條可行途徑。對溫度和成分控制應(yīng)考慮采用非線性運算和動態(tài)補 償。圖2.4 7中的前饋補償器輸出是作為蒸汽流量回路的設(shè)定值。 設(shè)置蒸汽流量回路是必要的,它可以使蒸汽流量按前饋補償算式(2.4-7 )式的要求進行精確跟蹤。2. 前饋一反饋控制系統(tǒng)在理論上,前饋控制可以實現(xiàn)受控變量的不變性,但在工程實踐 中,由于下列原因,前饋控制系統(tǒng)依然會存在偏差。1)實際的工業(yè)對象會存在多個擾動, 若均設(shè)置前饋通道,勢必增 加控制系統(tǒng)投資費用和維護工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾作 前饋通道。這樣設(shè)計的前饋控制器對其它干擾是絲毫沒有校正作用的。2)受前饋控制模型精度限制。3)用儀表來實現(xiàn)

9、前饋控制算式時,往往作了近似處理。尤其當(dāng)綜 合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié) es或純微分環(huán)節(jié)仃ds 1) 時,它們在物理上是不能實現(xiàn)的,構(gòu)筑的前饋控制器只能是近似的: 如將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié),將純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán)前饋控制系統(tǒng)中,不存在受控變量的反饋,也即對于補償?shù)男Ч?沒有檢驗的手段。因此,如果控制的結(jié)果無法消除受控變量的偏差, 系統(tǒng)也無法獲得這一信息而作進一步的校正。 為了解決前饋控制的這 以局限性,在工程中往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用,構(gòu)成前饋一反饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋校正作用及時的優(yōu)點,又保持了反饋 控制能克服多種擾動及對受控變量最終檢驗的長處,是一種適合化工

10、 過程控制、較有發(fā)展前途的控制方法。換熱器的前饋一一反饋控制系 統(tǒng)及其方塊圖分別表示在圖2.4-8和圖2.4-9。Gf址)漏闇牛L Gc料3抵紹 +丈 7圖2.4-8換熱器的前饋一反饋控制系統(tǒng)圖2.4-9前饋一反饋控制系統(tǒng)方塊圖圖2.4-9所示前饋一反饋控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為o(s)=Gpd (s)Gf (s)Gpc(s)Q (s)1 Gc (s)Gpc (s)1 Gc (s)Gpc (s)(2.4-8)應(yīng)用不變性原理條件Q(s) 0時,要求o(s) 0,代入(2.4-8)式,可導(dǎo)出前饋控制器的傳遞函數(shù)為Gff (s)Gpd (s)GPC (s)(2.4-9 )比較(2.4-9 )式和(2.4-

11、3 )式可知,前饋一反饋控制與純前饋控制 實現(xiàn)“全補償”的算式是相同的。前饋一反饋系統(tǒng)具有下列優(yōu)點:從前饋控制角度,由于增添了反饋控制,降低了對前饋控制模型 的精度要求,并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。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,大大減小了控制的負擔(dān)。3. 前饋一串級控制系統(tǒng)分析圖2.4-6換熱器的前饋一反饋控制系統(tǒng)可知,前饋控制器的 輸出與反饋控制器的輸出疊加后直接送至控制閥,這實際上是將所要求的物料量F與加熱蒸汽量Fs的對應(yīng)關(guān)系,轉(zhuǎn)化為物料流量與控制 閥膜頭壓力間的關(guān)系。這樣為了保證前饋補償?shù)木?,對控制閥提出 了嚴格的要求,希望它靈敏、線性及盡

12、可能小的滯環(huán)區(qū)。此外還要求 控制閥前后的壓差恒定,否則,同樣的前饋輸出將對應(yīng)不同的蒸汽流 量,這就無法實現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個問題,工程上將在 原有的反饋控制回路中再增設(shè)一個蒸汽流量副回路,把前饋控制器的輸出與溫度控制器的輸出疊加后,作為蒸汽流量控制器的給定值。圖2.4-10前饋一串級控制系統(tǒng)CQ(s)Gff(s)GC2 (S)Gpc2 (s)1 GC2 (S)G PC2 (s)(S)1 Gci(s)Gpci(s)iG;f(s)G;C2(s)1 GC2 (s)GPC2 (s)Gpd (s)1 G (s)G (s) GC2 (s)GPC2 (s)1 GC1 (s)GPC1 (s)-1GC

13、2 (s)GPC2 (s)(2410 )因為串級系統(tǒng)最佳設(shè)計Gc2(S)Gpc2 (s)11 Gc2(s)Gpc2(s)根據(jù)不變性原理當(dāng)Q(s) 0, (s) 0Gff(s)Gpd (s)Gpc (s)丄10圖 2.4-11前饋一串級控制系統(tǒng)方框圖前饋控制規(guī)律的實施1. 系統(tǒng)設(shè)計對可測不可控的干擾,變化幅度大,且對被調(diào)參數(shù)影響大,工藝 指標(biāo)要求嚴格工藝要求實現(xiàn)參數(shù)間的某種特殊關(guān)系,即按某一種數(shù)學(xué) 模型來進行調(diào)節(jié)2. 前饋補償裝置的控制算法通過對前饋控制系統(tǒng)的幾種典型結(jié)構(gòu)形式的分析可知,前饋控制 器的控制規(guī)律取決于對象干擾通道與控制通道的特性。由于工業(yè)對象 的特性極為復(fù)雜,這就導(dǎo)致了前饋控制規(guī)律

14、的形式繁多, 但從工業(yè)應(yīng) 用的觀點看,尤其是應(yīng)用常規(guī)儀表組成的控制系統(tǒng), 總是力求控制儀 表的模式具有一定的通用性,以利于設(shè)計、運行和維護。實踐證明, 相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對象都具有非周期性與過阻尼的特性,因此經(jīng)??捎?一個一階或二階容量滯后,必要時再串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)來近似它。Gf(S)TpS 1LiTfS 1(2413 )超前滯后環(huán)節(jié)輸出KTfS+l+存1K需(2.4-14)K 1Tf(2.4-15)圖 2.4-13超前滯后環(huán)節(jié)的等效圖純滯后補償e fS1SfS(2.4-16)當(dāng)f較小時,fS efse2f1S(2417)Gff(S)TpS 1edS 1L1(2.4-18)上式所示為帶有純滯后的“超前一滯后”前饋控制規(guī)律,其純滯后環(huán)節(jié)按1 Se fS2 1 fS12(2.4-19 )近似展開。此種“超前一滯后”前饋補償模型,已成為目前廣泛應(yīng)用的一種動態(tài)前饋補償模式。這種通用型前饋控制模型在單位階躍作用下的輸出特性為

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