前馈控制系统地基本原理.docxVIP

前馈控制系统 前馈控制系统的基本原理 前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰 （包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。图 2.4-1 物料出口温度 需要维持恒定，选用反馈控制系统。 若考虑干扰仅是物料流量 Q ，则可组成图 2.4-2 前馈控制方案。方案中选择加热蒸汽量 G s 为操纵变量。 图 2.4-1 反馈控制 图 2.4-2 前馈控制 前馈控制的方块图，如图 2.4-3 。 系统的传递函数可表示为： Q1(S) G PD ( S ) G ff ( S )G PC ( S ) Q(S) （2.4-1 ） 式中 G PD ( s) 、 G PC (s ) 分别表示对象干扰 道和控制通道的传递函数； G ff ( s) 为前馈控 图 2.4-3 前 馈控制方块图 制器的传递函数。 系统对扰动 Q 实现全补偿的条件是： 51 Q ( s ) 0 时，要求 ( s) 0 （2.4-2 ） 将（ 1-2 ）式代入（ 1-1 ）式，可得 G ff ( s ) = G PD ( S ) G PC ( S ) （2.4-3 ） 满足（1-3 ）式的前馈补偿装置使受控变量 不 受扰动量 Q 变化的影响。图 2-4-4 表示了这 种全补偿过程。 在 Q 阶跃干扰下，调节作用 c 和干扰作用 d 的响应曲线方向相 反，幅值相同。所以它们的合成结果，可使 达到 图 2.4-4 前馈 控制全补偿示意图 理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。 显然，这种理想的控制性 能，反馈控制系统是做不到的。 这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。在干扰作用下， 受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。前馈控制的另一突出优点是， 本身不形成闭合反馈回路， 不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。 1．前馈控制与反馈控制的比较 图 2.4-5 反馈控制方块图 图 2.4-6 前馈控制方块图 52 由以上反馈控制系统与前馈控制系统方块图可知： 前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统 从图上可以看到， 表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈 控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发 点形成闭合回路，成为“闭环”控制系统 。而在前馈控制系统中， 在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成 闭合环路，因此称其为“开环”控制系统 。 前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量 在单纯的前馈控制系统中， 不测量被控变量， 而单纯的反馈控制 系统中不测量干扰量。 前馈需要专用调节器，反馈一般只要用通用调节器 由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的 特性，且要求较高，因此，通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调 节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动， 因此，可采用通用调节器。 前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰 前馈控制系统中若干扰量不可测量， 前馈就不可能加以克服。 而 反馈控制系统中，任何干扰， 只要它影响到被控变量，都能在一定程 度上加以克服。 前馈理论上可以无差，反馈必定有差 如果系统中的干扰数量很少， 前馈控制可以逐个测量干扰， 加以 克服，理论上可以做到被控变量无差。而反馈控制系统， 无论干扰的 53 多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。 前馈控制系统的几种结构形式 1．静态前馈 由（ 1-3 ）式求得的前馈控制器，它已考虑了两个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿器。 它追求的目标是受控变量的完全不变性。而在实际生产过程中， 有时并没有如此高的要求。 只要在稳态下，实现对扰动的补偿。令（ 1-3 ）式中的 S 为 0，即可得静态前馈控制算式： G ff (0 )  G PD (0) G PC (0) 2.4-4 ） 利用物料（或能量）衡算式，可方便地获取较完善的静态前馈算式。例如，图 2-4-2 所示的热交换过程， 假若忽略热损失，其热平衡关系可表述为： QC p ( 0 i ) G s H s 2.4-5 ） 式中 C p ——物料比热 H s ——蒸汽汽化潜热 ——物料量流量 G s ——载热体（蒸汽）流量 ——换热器入口温度 ——换热器出口温度 54 由（ 2.4-5 ）式可解得： C p G S Q ( 0 i ) H s （2.4-6 ） 用物料出口温度的设定值 10 代替上式中的 0 ，可得 G s = C P Q(10I) H S 2.4-7 ） 上式即为静态前馈控制算式。相应的控制流程示于图2-4-7 2.4-7 换热器的静态前馈控制 图中虚线框表示了静态前馈控制