第五章 前馈控制系统 Feedforward Control 5.3 前馈控制系统设计

内 容 前馈控制的原理复习 静态前馈控制的设计方法 前馈控制系统的动态补偿 前馈反馈控制系统 仿真举例

前馈控制的概念 D1，……，Dn为可测扰动；u，y分别为被控对象的操作变量与受控变量。 前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。

前馈控制方块图 控制目标： u (t)、y (t) 分别表示控制变量与被控变量； d (t) 表示某一外部干扰; GYD(s)、GYC(s)分别为干扰通道与控制通道的动态特性； GFF(s)为前馈控制器的动态特性。 控制目标：

前馈不变性原理 动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0,（调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想情况“）。 稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与扰动量d(t)无关。

静态前馈控制 控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影响，即实现“稳态不变性”。 静态前馈控制方式： 线性静态前馈： 非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。

非线性静态前馈控制 稳态平衡关系： 讨论: 前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响

前馈控制算法 假设T1、T2的测量范围为[T1min, T1max]、[T2min, T2max], RV、RF的测量范围为[0, RVmax]、[0, RFmax]；而各测量信号T1m、T2m 、 RVm、RFm及设定值均为0 ~ 100 %.

(参见模型…/FFControl/ExHeater.mdl) 换热器动态仿真模型 (参见模型…/FFControl/ExHeater.mdl) 静态工作点: T1=20℃, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180℃. T2仪表量程为100~300℃, RV仪表量程为0~5 T/hr. 干扰通道纯滞后可忽略, 控制通道纯滞后为2.5 min.

换热器的静态前馈控制器 假设静态工作点为: T1=20℃, RF=10 T/hr, RV=2T/hr, Kv=800, T2=180℃. T2的测量仪表量程为100 ~ 300℃, RV仪表量程为0 ~ 5 T/hr，T1量程为0 ~ 50℃, RF仪表量程为0 ~ 20 T/hr. 则其静态前馈控制算法为

换热器静态前馈控制仿真 讨论：分析稳态不变性原理以及系数Kvm对前馈控制性能的影响，(参见模型…/FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl)

前馈控制的动态补偿 讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为 这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1。

非线性系统的动态前馈补偿 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分： 其中 对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。动态前馈补偿的一般形式为

前馈控制与反馈控制的比较 前 馈 控 制 反 馈 控 制 扰动可测，但不要求被控量可测 被控量直接可测 超前调节，可实现系统输出的不变性（但存在可实现问题） 按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节） 开环调节，无稳定性问题 闭环调节，存在稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 系统可感受所有影响输出的扰动 对于干扰与控制通道的动态模型，要求已知而且准确 对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型 对时变与非线性对象的适应性弱 对时变与非线性对象的适应性与鲁棒性强

换热器的前馈反馈控制方案1

换热器的前馈反馈控制方案2 特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。

(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl) 换热器反馈控制系统举例 (参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)

(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl) 换热器前馈反馈控制系统 #1 (参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)

(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl) 换热器前馈反馈控制系统 #2 (参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)

结 论 引入前馈控制的可能应用场合： 应用前馈控制的前提条件： （1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重， 常规反馈控制系统难以满足要求。 应用前馈控制的前提条件： （1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。

练习题 下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 与蒸汽阀前压力PV 均比较稳定； （2）介质流量GF 比较稳定，但压力PV 波动较大； （3）蒸汽压力PV 比较稳定，但介质流量GF 波动较大。