前馈控制和反馈控制

前馈反馈控制讲解

前馈控制系统

前馈反馈控制讲解

内 容

前馈控制的由来与原理 静态前馈控制系统 前馈控制系统的动态补偿 前馈反馈控制系统 结论

前馈反馈控制讲解

一、基本原理及特点

问题：过程特性决定了它被控制的难易，一个本性难控的 过程具有Kf大、Tf<To、τ o/To大的特点，难控过程受到较 大扰动后，反馈控制的效果将不令人满意。下面分析其原 因，并讨论相应对策。原因 相应措施 ⒈本性难控过程克服扰动的稳定时间长 ⒈将扰动克服在被控变量偏 产生偏差大； 离设定值之前 ⒉反馈控制器不会区别偏差产生的原因， ⒉针对较大可测和不可控的 只是减少偏差，直到趋近“0”; 扰动采取措施，使被控变量 在扰动下基本不变 ⒊扰动产生频率过高，将使系统振荡； ⒊开环控制

“前馈控制方案

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一、基本原理及特点D1 前馈 控制器 对象 y Dn

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。

u

前馈控制思想：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。 前馈控制定义：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， 使被控变量维持在设定值上。例如，我们以换热器前馈控制 系统来说明其方案控制过程

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一、基本原理及特点换热器控制方案举例蒸汽

蒸汽TC

HV, RV

FF

HV, RV工艺 介质

RF工艺介质

cp, RF , T1凝液

T2

cp, RF , T1凝液

T2

反馈控制方案

前馈控制方案

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一、基本原理及特点换热器前馈控制方块图d(t) GYD (s) u(t) GFF (s) GYC (s)+ +

Y ( s) GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s) 0 D( s )控制目标：D(S)≠0时，要求Y(S)=0

本例中，d (t)、u (t)、y (t) 分 别表示工艺介质流量(外部干 扰)、蒸汽流量(控制变量)与 工艺介质的出口温度(被控变 y(t) 量);GFF(s)为前馈控制器的动 态特性；GYD(s)、GYC(s)分别为干 扰通道与控制通道的的动态特性。Y(t) D(t)

ycΔD

GFF ( s)

GYD ( s) GYC ( s)

tyd

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一、基本原理及特点前馈不变性原理 不变性指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响 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。

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一、基本原理及特点

前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制 及时 前馈控制属于开环控制，反馈控制属于 闭环控制 前馈控

制采用的是由对象特性确定的专 用控制器

前馈反馈控制讲解

二、前馈控制系统的几种结构形式

静态前馈 动态前馈 前馈反馈控制系统 多变量前馈控制 用计算机实施前馈控制

前馈反馈控制讲解

静态前馈控制

在实际中一般只要求在稳态下实现对扰动的补偿，令s=0,就 可得静态前馈控制算式。

G ( s) GFF (s) YD

GYC (s) s 0

K pd K pc

Kpd和Kpc分别为干扰通道和控制通道的静态增益，可以用实 验或静态方程得到。 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”。

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动态前馈控制

静态前馈系统简单，容易实现，可以保证在稳 态时消除扰动的影响，但在动态过程中偏差仍 然存在。 当控制通道和干扰通道的动态特性差异较大时， 必须加动态前馈补偿。 动态前馈的实现是基于绝对不变性原理 静态前馈是动态前馈的一种特殊情况，动态前 馈可以看做是静态前馈和动态补偿的两部分组 成，他们结合在一起使用，可以进一步提高控 制过程的动态品质。

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换热器的前馈控制器T2sp∑

+

× g 3 (s) g1 ( s) RF

kv

RVsp

T2sp

+

∑

×

kv

RVsp

-g 2 ( s) g1 ( s)

- T1 RF

T1

静态前馈控制器

动态前馈控制器 (g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表示 RVsp、T1、RF对系统输出T2的通道 特性的动态部分。)

前馈反馈控制讲解

换热器的前馈控制器T2sp∑

sp RV k v RF (T2sp T1 ) ,

+

× g 3 (s) g1 ( s) RF

kv

RVsp

-g 2 ( s) g1 ( s)

kv c p / H V

T1

g3 ( s) sp g 2 ( s) R kv RF (T2 T1 ), g1 ( s) g1 ( s)sp V

kv c p / HV

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三、前馈反馈控制系统①对象动态特性形式多样难以精确测量 ②工业对象存在多个扰动，若均设置前 馈控制器，投资高，工作量大。 ③补偿结果没有检测手段

前馈控制系统 局限性

④受前馈控制模型精度限制⑤实现前馈控制算法，往往作近似处理

“前馈-反馈控制系统 ”

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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 按偏差控制，存在偏差才能调节， 变性(但存在可实现问题) (滞后调节) 开环调节，无稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 闭环调节，存在稳定性问题 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，对通道模型要求弱，大多数情况 要求已知而且准确 无需各道模型

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

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前馈—反馈控制系统优点 A从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低 了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前 馈信号的干扰产生校正作用。 B从反馈控制角度，由于

前馈控制的存在，对主 要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的 负担。

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换热器的前馈反馈控制方案1T2spTC

+∑

前馈控制器 × RF k1∑

RVsp

RVFC

蒸汽

- T1

T2

工艺 介质 凝液

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换热器的前馈反馈控制方案2T2spTC

+∑

前馈控制器 × RF k1 RVspFC

RV

蒸汽

- T1

T2

凝液

工艺 介质

特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。

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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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2usj.html