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

前馈控制器

对象u

y

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：

0)()()()(

)( sGsGsG

sD

sYYCFFYD

GYD (s)

＋＋

d(t)

GFF (s) GYC (s) y(t)u(t)

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。

0)(

)()(

sYC

YDFF sG

sGsG

非线性静态前馈控制

蒸汽

凝液

工艺介质

T1

T2

RV

RF

FC前馈

控制器

T2sp

RVsp

稳态平衡关系：

VVFp RHTTRc )( 12

pVv

spF

v

spV

cHK

TTRKR

/

,)(112

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

pVvsp

Fv

spV cHKTTRKR /,)(1

12

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 %.

]})(01.0[

])(01.0{[1

1min1max1min1

2min2max2min2maxmax

m

spFFm

vV

spVm

TTTT

TTTTRRKRR

]})(01.0[

])(01.0{[1

1min1max1min1

2min2max2min2max

max

m

sp

V

F

vFm

spVm

TTTT

TTTTRR

KRR

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

}5.02100{4

]})(01.0[

])(01.0{[1

12

1min1max1min1

2min2max2min2max

max

msp

v

Fm

m

sp

V

F

vFm

spVm

TTKR

TTTT

TTTTRR

KRR

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GYD (s)

＋＋

d(t)

GFF (s) GYC (s) y(t)u(t)

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

)()(

)()()( sg

sgK

KsG

sGsGYC

YD

YC

YD

YC

YDFF

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

)()( sgKsG FFFFFF

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：

,YC

YDFF K

KK )()()( sg

sgsgYC

YDFF 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

)exp(1

1)(

2

1 ssT

sTsgFF

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

蒸汽

凝液

工艺介质

T2

RV

RF

FC

T2sp

RVsp

TC

T1

∑∑ ×＋

－k1

前馈控制器

换热器的前馈反馈控制方案 2

蒸汽

凝液工艺介质

T2

RV

RF

FC

T2sp

RVsp

TC

T1

∑ ×＋

－k1

前馈控制器

特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。

换热器反馈控制系统举例

( 参见模型… /FFControl/ExHeaterPID.mdl)

换热器前馈反馈控制系统 #1

( 参见模型… /FFControl/ExHeaterFFC_PID1.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：

（ 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。

蒸汽

凝液工艺介质

GF , Ti

To

GV

PV