1、6-1概述,2)反饋控制系統(tǒng)的不足,在被控對象呈現(xiàn)大遲延,多干擾等難以控制的特性,而又希望得到較好的過程響應(yīng)時(shí),反饋控制難以得到好的效果(穩(wěn)定性,準(zhǔn)確性,快速性),干擾多：準(zhǔn)確性難以保證，存在多種殘差遲延：快速性降低,1)反饋控制的優(yōu)點(diǎn)(PID控制),原理簡單,使用方便,不需知道對象的確切模型適應(yīng)性強(qiáng)魯棒性強(qiáng),控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不敏感,魯棒性:控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍可使品質(zhì)指標(biāo)不變的性能,3)反饋控制的特點(diǎn)：基于偏差來消除偏差；“不及時(shí)”的控制；存在穩(wěn)定性問題；對各種擾動均有校正作用；控制規(guī)律通常是P、PI、PD或PID等典型規(guī)律。,問題:是否可以在偏差產(chǎn)生前(擾動發(fā)生但

2、還未影響到輸出量)就讓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作出反應(yīng),通過對干擾進(jìn)行補(bǔ)償來抵消其影響,從而使被控對象不受干擾量的影響.這就是前饋控制(FFC),它是一種按干擾進(jìn)行控制的開環(huán)控制方式.,例1換熱器控制(用蒸汽Q對物料F進(jìn)行加熱,保持出料口物料溫度穩(wěn)定),方案1-反饋控制,缺點(diǎn)：對干擾的響應(yīng)不夠及時(shí)，總是偏差出現(xiàn)后才開始調(diào)節(jié)按偏差大小進(jìn)行控制的e調(diào)節(jié)閥1,被調(diào)量:換熱器出口溫度1主要干擾:換熱器的物料量F,方案2-前饋控制,控制思路：以干擾作用的大小進(jìn)行控制，干擾出現(xiàn)后馬上進(jìn)行調(diào)節(jié),1,優(yōu)點(diǎn)：對干擾直接進(jìn)行控制，控制比反饋及時(shí)干擾F調(diào)節(jié)閥1,蒸汽量,物料量,系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：,系統(tǒng)對于干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是:

3、,前饋控制的理論基礎(chǔ)是不變性原理，或稱為擾動補(bǔ)償理論,不變性原理:控制系統(tǒng)的被調(diào)量與擾動量絕對無關(guān)或在一定準(zhǔn)確度下無關(guān)，也就是被調(diào)量完全獨(dú)立或基本獨(dú)立,(1)絕對不變性對象在擾動Di(t)作用下,被調(diào)量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變,調(diào)節(jié)過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差均為零.實(shí)際中難以達(dá)到：對象的動態(tài)特性不可能絕對精確；擾動補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)上的困難,設(shè)被控對象受到干擾Di(t)的作用，則被調(diào)量y(t)的不變性可表示為：,即被調(diào)量y(t)與干擾Di(t)獨(dú)立無關(guān),在應(yīng)用不變性原理時(shí),由于各種原因,不可能完全實(shí)現(xiàn)上式所規(guī)定的y(t)與Di(t)獨(dú)立無關(guān)，因此就被調(diào)量與干擾量之間的不變性程度，提出了幾種

4、不變性,(2)誤差不變性準(zhǔn)確度有一定限制的不變性可表示為：,(3)穩(wěn)態(tài)不變性在干擾Di(t)作用下,被調(diào)量的動態(tài)偏差不為零,而穩(wěn)態(tài)偏差為零,被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)工況下與擾動量無關(guān).,(4)選擇不變性系統(tǒng)中被調(diào)量對其中幾個主要的干擾實(shí)現(xiàn)不變性.減少了補(bǔ)償裝置,節(jié)省投資又能達(dá)到對主要干擾的不變性,允許存在一定的誤差,在工程上容易實(shí)現(xiàn),而且生產(chǎn)中也不會有絕對不變性的要求,所以應(yīng)用廣泛.如反饋控制從理論上應(yīng)該屬于誤差不變性,6-2前饋控制系統(tǒng),前饋控制是以不變性原理為理論基礎(chǔ)的一種控制方法.它把影響過程的主要因素測量出來,連同設(shè)定值一起,用來計(jì)算正確的輸出,以適應(yīng)當(dāng)前的狀態(tài),無論干擾何時(shí)出現(xiàn),都立即開始校正,

5、使擾動在影響到被調(diào)量之前就被抵消掉.從理論上講,前饋控制可是實(shí)現(xiàn)很完善的控制,即使是難控過程,其性能也僅受測量和計(jì)算精度的限制,一基本概念,u=f(r,D1,D2,D3),例3鍋筒鍋爐的水位控制,鍋爐的水位控制系統(tǒng),生產(chǎn)過程：給水G經(jīng)鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽輸出,被調(diào)量:鍋爐水位H,保持恒定,擾動:負(fù)荷(蒸汽D)擾動,給水?dāng)_動.,控制方案：1.串級控制(反饋控制)2.前饋控制,1.串級空制,缺點(diǎn)：1.對擾動的響應(yīng)不夠及時(shí)2.如果負(fù)荷變化幅度大而且頻繁,難以滿足要求,水位H波動大3.負(fù)荷對水位的影響存在假水位現(xiàn)象,調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生更大動態(tài)偏差,調(diào)節(jié)過程加長,假水位:鍋爐蒸汽負(fù)荷突然,氣壓,水的沸點(diǎn),水汽混合

6、物體積,則此時(shí)水位不因蒸發(fā)量大于給水量而下降，反而上升反之一樣,如果直接以負(fù)荷的擾動來調(diào)節(jié)閥門,使給水量總等于負(fù)荷量,就能解決負(fù)荷擾動大,控制不及時(shí)的缺點(diǎn).,G=f(D,r),前饋控制的特點(diǎn)(1)前饋控制是按干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如果控制作用恰倒好處,一般比反饋控制及時(shí),(2)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng),(3)前饋控制使用的是依對象特性而定的專用控制器,(4)一種前饋控制作用只能克服一種干擾,(1)系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著,反饋控制達(dá)不到質(zhì)量要求時(shí)。,前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合,(2)當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時(shí)間較長,由于反饋控制不及時(shí)影響控制

7、質(zhì)量時(shí),可采用前饋或前饋反饋控制系統(tǒng).,二靜態(tài)前饋控制,系統(tǒng)只需要在穩(wěn)定工況下實(shí)現(xiàn)對干擾量的補(bǔ)償,此時(shí),前饋控制器的輸出是輸入量的函數(shù),而與時(shí)間因子無關(guān).對控制要求不是很高,只關(guān)心結(jié)果,不重過程,例4列管換熱器控制,1)生產(chǎn)過程2)調(diào)節(jié)量(2)3)擾動量(Q,1,p)4)熱平衡方程及控制算法,無論Q,1如何變化，總有D=kQ(2r-1),Q,1的擾動都能由蒸汽流量D立即進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫秸羝髁康慕o定值D*=kQ(2r-1).,5)前饋控制算法與對象數(shù)學(xué)模型關(guān)系:從本質(zhì)上講,算法就是數(shù)學(xué)模型,6)參數(shù)對控制的影響,QD2rD1D,k對出口溫度2的影響：,通過調(diào)整k值可以調(diào)整出口溫度與設(shè)定值的殘差,k

8、過小，D的減小過小,殘差為正k過大，D的減小過大，殘差為負(fù)k適當(dāng)，D的減小與Q的減小匹配，殘差為0,7)前饋控制與常規(guī)PID空制的比較,(a)PID控制過程,(b)靜態(tài)前饋控制過程,前饋控制比PID空制及時(shí)，能更早地校正偏差前饋控制超調(diào)量小前饋控制作用時(shí)間短.靜態(tài)前饋空制除了有較高的控制精度外，還具有固有的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的自身平衡傾向如料液沒流量后，蒸汽也會自動關(guān)斷,8)靜態(tài)前饋控制缺點(diǎn),負(fù)荷變化時(shí)都有一段動態(tài)不平衡過程，表現(xiàn)為瞬時(shí)溫度誤差如果負(fù)荷情況與當(dāng)初調(diào)整系統(tǒng)時(shí)的情況不同,就有可能出現(xiàn)殘差.,右圖中曲線-料液流量Q-蒸汽流量D-按靜態(tài)前饋控制時(shí)Q料液出口溫度變化曲線.存在一段時(shí)間較小的偏差

9、,是由于擾動通道和調(diào)節(jié)通道之間對象動態(tài)特性不同所引起的動態(tài)偏差.靜態(tài)前饋補(bǔ)償不能解決從理論上說，按靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的前饋控制裝置可以保證靜態(tài)偏差為零，但無法干預(yù)動態(tài)偏差的發(fā)生,三動態(tài)前饋控制,動態(tài)前饋控制的作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對干擾的補(bǔ)償通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控變量這一通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致，并使他們的符號相反，便可達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對被控變量的影響,動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同.動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù),而且也是時(shí)間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的

10、靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。,1.動態(tài)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì),擾動量-D(s)被調(diào)量-Y(s),沒有補(bǔ)償器時(shí),擾動量D只通過Gd(s)影響Y,即,有了補(bǔ)償器后，擾動量D同時(shí)還通過補(bǔ)償通道Gff(s)Gv(s)Gp(s)來影響被調(diào)量Y,則,根據(jù)不變性原理,有,補(bǔ)償器傳遞函數(shù)為：,假定擾動通道傳遞函數(shù)Gd(s)和調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)Gp(s)均為純遲延,且為,調(diào)節(jié)閥特性Gv(s)=kv,則在擾動D作用下，進(jìn)行靜態(tài)前饋控制，靜態(tài)前饋裝置只需實(shí)現(xiàn),此時(shí)只能保證穩(wěn)態(tài)時(shí)對擾動的補(bǔ)償,擾動D的變化引起被調(diào)量持續(xù)時(shí)間為(d-p)的一個瞬變過程.要進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償,需要把前饋信號推遲d-p,如果Gd(s)和Gp(s)分別是時(shí)間

11、常數(shù)為Td和Tp的一階慣性環(huán)節(jié)，控制仍設(shè)置為靜態(tài)前饋控制，使Gff(s)=-1/k,則有,(假定TdTp),當(dāng)t+時(shí),limy(t)=0,靜態(tài)誤差為零.由于兩個通道時(shí)間常數(shù)不同，出現(xiàn)了動態(tài)偏差,2.簡單的動態(tài)補(bǔ)償器：導(dǎo)前-滯后環(huán)節(jié),1)按不變性原理實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償只有理論意義,實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的過程的動態(tài)特性難以測準(zhǔn)，而且具有不可忽視的非線性，特別是在不同負(fù)荷下動態(tài)特性變化很大。寫出的補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)并不等于能夠?qū)崿F(xiàn),2)可以采用前饋控制的過程的特點(diǎn)：,擾動通道和調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)性質(zhì)相近如果有純遲延，在數(shù)值上比較接近,在大多數(shù)情況下，只需要考慮主要的慣性環(huán)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)部分補(bǔ)償通常采用簡單的導(dǎo)前-

12、滯后裝置作為動態(tài)補(bǔ)償器就可以滿足要求其傳遞函數(shù)為：,其增益為1,只起動態(tài)補(bǔ)償?shù)淖饔?按過程的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)的靜態(tài)前饋控制裝置則保持靜態(tài)準(zhǔn)確性。,1導(dǎo)前時(shí)間；2滯后時(shí)間,利用導(dǎo)前-滯后補(bǔ)償器進(jìn)行前饋控制時(shí),要實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,在它的輸入和輸出函數(shù)間的累積面積應(yīng)該與未經(jīng)補(bǔ)償?shù)倪^程響應(yīng)曲線相匹配(大小相等,符號相反),那么響應(yīng)曲線的凈增面積為零,經(jīng)過補(bǔ)償后輸入和輸出之間的累積面積為：,未經(jīng)動態(tài)補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)曲線的累積面積為：,則要使補(bǔ)償后響應(yīng)曲線的凈增面積為零，可以使得：,換熱器前饋控制系統(tǒng)方框圖,換熱器在前饋和反饋控制下的響應(yīng)曲線,前饋控制的優(yōu)越性:與反饋控制相比,控制質(zhì)量好，而且不會出現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在的穩(wěn)

13、定性問題.在前饋控制系統(tǒng)中還不需要被調(diào)量的測量信號.,四前饋-反饋控制系統(tǒng),前饋控制系統(tǒng)的不足之處:,1)靜態(tài)準(zhǔn)確性難保證要達(dá)到高度的靜態(tài)準(zhǔn)確性,需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,精確的測量儀表和計(jì)算裝置,而且,模型中的系數(shù)也可能隨運(yùn)行條件而變化,2)前饋控制是針對具體的擾動進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?一種前饋控制作用只能克服一種干擾.,前饋反饋控制系統(tǒng)：將前饋和反饋結(jié)合起來，既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔眉皶r(shí)克服主要擾動對被控量影響的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多個擾動影響的長處；降低了系統(tǒng)對前饋補(bǔ)償器的要求，使其在工程上更易于實(shí)現(xiàn)。,3)屬于開環(huán)控制，對被調(diào)量無檢驗(yàn),典型的前饋反饋控制系統(tǒng),干擾通道,前饋補(bǔ)償通道,反饋通道,系統(tǒng)的

14、校正作用：Gc(s)+Gff(s),控制系統(tǒng)是偏差控制和擾動控制的結(jié)合，也稱為復(fù)合控制系統(tǒng),前饋反饋控制系統(tǒng)對擾動完全補(bǔ)償?shù)臈l件與前饋控制時(shí)完全相同,反饋回路中加入前饋控制對反饋調(diào)節(jié)器所需要整定的參數(shù)帶來的變化不大.但是反饋調(diào)節(jié)器所需完成的工作量大大減小,而被調(diào)量的靜態(tài)準(zhǔn)確性(殘差)總能夠滿足要求,前饋控制器:Q,1D*,反饋控制:其他干擾,補(bǔ)償前饋控制不準(zhǔn)確引起的偏差,換熱器前饋反饋控制系統(tǒng),前饋反饋控制的優(yōu)點(diǎn)：,1)增加了反饋回路，簡化了前饋控制系統(tǒng)，只需要對主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其他干擾可由反饋控制予以校正。,2)反饋回路的存在,降低了前饋控制模型的精度要求,3)負(fù)荷或工況變化時(shí),對象

15、特性也要變化,可由反饋控制加以補(bǔ)償,具有一定的自適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)前饋控制的必要條件是擾動量的“可測及不可控性”：“可測”：指擾動量可以通過測量變送器，在線地將其轉(zhuǎn)換為前饋補(bǔ)償器所能接受的信號。“不可控”：指這些擾動量難以或不允許通過專門的控制回路予以控制，如生產(chǎn)中的負(fù)荷。擾動量變化頻繁且幅值較大；擾動對被控量影響顯著，反饋控制難以及時(shí)克服，且過程對控制精度要求十分嚴(yán)格的情況。,前饋控制的應(yīng)用場合,當(dāng)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性相近時(shí)靜態(tài)前饋。當(dāng)控制通道與擾動通道的時(shí)間常數(shù)相差較大時(shí)動態(tài)前饋。,6-3大遲延系統(tǒng),1)遲延的形式,2)遲延對控制系統(tǒng)的影響,容積遲延,純遲延,純遲延的存在,使被調(diào)量不能

16、及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動,使過程產(chǎn)生超調(diào),延長了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)會引起生產(chǎn)事故,危及人身和設(shè)備安全,具有純遲延的過程被公認(rèn)為較難控制的過程,其難控程度隨著純遲延的增加而增加,3)大遲延,純遲延時(shí)間與過程的時(shí)間常數(shù)T之比大于0.3,即/T0.3,當(dāng)/T增加時(shí),過程的相位滯后增加,增加系統(tǒng)超調(diào)量甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)危及設(shè)備和人身安全,4)大遲延對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的危害,5)解決方法,1)利用常規(guī)調(diào)節(jié)器適應(yīng)性強(qiáng),調(diào)整方便的特點(diǎn),經(jīng)過仔細(xì)個別的調(diào)整,在控制要求不太苛刻的情況下,滿足生產(chǎn)的要求,2)在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動控制方案,微分先行，中間反饋,微分先行:只對測量值起微

17、分作用的控制算法.微分環(huán)節(jié)接在反饋通道中,位于設(shè)定值與測量值的比較點(diǎn)之前,故稱微分先行.在通常的PD或PID控制算法中,微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的,不論設(shè)定值或測量值的突然變化,微分控制作用十分猛烈.因此,采用通常的PD或PID控制算法時(shí),設(shè)定值的調(diào)整必須比較和緩.為了不受這種限制,可以只對測量值起微分作用,而測量值一般是不會突然變化的.對象一般都具有慣性,兩種控制方案都具有較大超調(diào)量,響應(yīng)速度慢.如果在控制精度要求很高的場合,不能滿足要求,需要采取其他控制手段,如補(bǔ)償控制.,二采用補(bǔ)償原理克服大遲延的影響,在大遲延系統(tǒng)中采用的補(bǔ)償方法不同于前饋補(bǔ)償,它是按照過程的特性設(shè)想出一種模

18、型加入到反饋控制系統(tǒng)中,以補(bǔ)償過程的動態(tài)特性.這種補(bǔ)償反饋因構(gòu)成模型的方法不同而形成不同的方案.史密斯預(yù)估補(bǔ)償方法是得到廣泛應(yīng)用的一種方案.,Gs(s),史密斯預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù),史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的效果,1)在設(shè)定值擾動時(shí),能夠縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間,減小超調(diào)量.,例6-2(P139),2)對負(fù)荷擾動無效果,并且會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定.,3)加入史密斯預(yù)估器后系統(tǒng)魯棒性降低.(PID控制系統(tǒng)承受對象參數(shù)變化能力比帶史密斯補(bǔ)償器的系統(tǒng)強(qiáng))(PID控制系統(tǒng)對過程的動態(tài)性能精度要求不高,史密斯補(bǔ)償方案對過程動態(tài)特性精確度要求高),動態(tài)特性參數(shù)變化對史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的影響,在模型精確時(shí),史密斯補(bǔ)償控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量好,ITAE小,即調(diào)節(jié)時(shí)間短,超調(diào)量小.,模型參數(shù)變化時(shí),PID控制品質(zhì)較穩(wěn)定,其ITAE變化緩慢,而史密斯補(bǔ)償控制的IT