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1、-前馈控制系统 前馈控制系统的根本原理 前馈控制的根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，并按其信号产生适宜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，选用反应控制系统。假设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sG为操纵变量。图 2.4-1 反应控制图 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：)()()()()(1SGSGSGSQSQPCffPD2.4-1 式中)(sGPD、)(sGPC分别表示对象干扰 道和控制通道的传递函数；)(sGff为前
2、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：-0)(sQ时，要求0)(s2.4-2 将1-2式代入1-1式，可得)(sGff=)()(SGSGPCPD2.4-3 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，幅值一样。所以它们的合成结果，可使到达图 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，反应控制系统是做不到的。这是因为反应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
3、个偏离设定值的过渡过程。前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反应回路，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前馈控制与反应控制的比拟 图 2.4-5 反应控制方块图图 2.4-6 前馈控制方块图 由以上反应控制系统与前馈控制系统方块图可知：1)前馈是开环，反应是闭环控制系统 从图上可以看到，外表上，两种控制系统都形成了环路，但反应控制系统中，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。2)前馈系统中测量干扰量，反应系
4、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，而单纯的反应控制系统中不测量干扰量。3)前馈需要专用调节器，反应一般只要用通用调节器 由于前馈控制的准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，而反应根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。4)前馈只能克制所测量的干扰，反应则可克制所有干扰 前馈控制系统中假设干扰量不可测量，前馈就不可能加以克制。而反应控制系统中，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制。5)前馈理论上可以无差，反应必定有差 如果系统中的干扰数量很少，前馈控制可
5、以逐个测量干扰，加以克制，理论上可以做到被控变量无差。而反应控制系统，无论干扰的多与少、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，然后加以克制，因此必定有差。前馈控制系统的几种构造形式 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：)0()0()0(PCPDffGGG2.4-4 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
6、交换过程，假假设忽略热损失，其热平衡关系可表述为：ssipHGQC)(02.4-5 式中 pC物料比热 sH蒸汽汽化潜热 Q物料量流量 sG载热体蒸汽流量 i换热器入口温度 0换热器出口温度 由2.4-5式可解得：)(0ispSHCQG2.4-6 用物料出口温度的设定值10代替上式中的0，可得 sG=)(10ISPHCQ2.4-7 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 图 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装置。它是多输入的，能对物料-的进口温度、流量和出口温度设定值作出静态前馈补偿。由于在2.4-7式中，Q 与1i-2是相乘关系，所以这是一个
7、非线性算式。由此构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。应该注意到，假假设2.4-5式是对热平衡确实切描述的话，则由此而构筑的非线性前馈控制器能实现静态的全补偿。对变量间存在相乘或相除关系的过程，非线性是很严重的，假假设通过对它们采用线性化处理来设计线性的前馈控制器，则当工作点转移时，往往会带来很大误差。在化工工艺参数中，液位和压力反映的是流量的积累量，因此液位和压力的前馈计算一般是线性的。但是温度和成分等参数它们代表流体的性质，其前馈计算常以非线性面目出现。从采用前馈控制的必要性来看，一般是温度和成分甚于液位和压力。一方面是由于稳定前者的重要性往往甚于后者，另一方面温度和成分对象一般有
8、多重滞后，仅采用反应调节，质量还会不和要求。增加前馈补偿是改良控制的一条可行途径。对温度和成分控制应考虑采用非线性运算和动态补偿。图 2.47 中的前馈补偿器输出是作为蒸汽流量回路的设定值。设置蒸汽流量回路是必要的，它可以使蒸汽流量按前馈补偿算式2.4-7式的要求进展准确跟踪。2前馈反应控制系统 在理论上，前馈控制可以实现受控变量的不变性，但在工程实践中，由于以下原因，前馈控制系统依然会存在偏差。1实际的工业对象会存在多个扰动，假设均设置前馈通道，势必-增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰作前馈通道。这样设计的前馈控制器对其它干扰是丝毫没有校正作用的。2受前馈控制模型精
9、度限制。3用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节se或纯微分环节)1(sTD时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的：如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节。前馈控制系统中，不存在受控变量的反应，也即对于补偿的效果没有检验的手段。因此，如果控制的结果无法消除受控变量的偏差，系统也无法获得这一信息而作进一步的校正。为了解决前馈控制的这以局限性，在工程中往往将前馈与反应结合起来应用，构成前馈反应控制系统。这样既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反应控制能克制多种扰动及对受控变量最终检验的长处，是一种适
10、合化工过程控制、较有开展前途的控制方法。换热器的前馈反应控制系统及其方块图分别表示在图 2.4-8 和图 2.4-9。图 2.4-8 换热器的前馈反应控制系统图 2.4-9 前馈反应控制系统方块图 图 2.4-9 所示前馈反应控制系统的传递函数为)()(0sQs=)()(1)()()()(1)(sGsGsGsGsGsGsGPCCPCffPCCPD2.4-8 应用不变性原理条件0)(sQ时，要求0)(0s，代入2.4-8式，-可导出前馈控制器的传递函数为)()()(sGsGsGPCPDff2.4-9 比拟2.4-9式和2.4-3 式可知，前馈反应控制与纯前馈控制实现全补偿的算式是一样的。前馈反应
11、系统具有以下优点：从前馈控制角度，由于增添了反应控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。从反应控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了控制的负担。3前馈串级控制系统 分析图 2.4-6 换热器的前馈反应控制系统可知，前馈控制器的输出与反应控制器的输出叠加后直接送至控制阀，这实际上是将所要求的物料量 F 与加热蒸汽量 FS的对应关系，转化为物料流量与控制阀膜头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格的要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。此外还要求控制阀前后的压差恒定，否则，同样的前馈输出将对应不同的蒸汽流量
12、，这就无法实现准确的校正。为了解决上述两个问题，工程上将在原有的反应控制回路中再增设一个蒸汽流量副回路，把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠加后，作为蒸汽流量控制器的给定值。图 2.4-10 前馈串级控制系统 图 2.4-11 前馈串级控制系统方框图 2.4-10-因 为 串 级 系 统 最 正 确 设 计101副主则)()(1)()(2222sGsGsGsGpccpcc1，根据不变性原理当0)(,0)(ssQ 则)()()(sGsGsGPCPDff 2.4-12 2.4-12 曲线图 前馈控制规律的实施 1.系统设计 对可测不可控的干扰，变化幅度大，且对被调参数影响大，工艺指标要求严格工艺
13、要求实现参数间的*种特殊关系，即按*一种数学模型来进展调节 2.前馈补偿装置的控制算法 通过对前馈控制系统的几种典型构造形式的分析可知，前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性。由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形式繁多，但从工业应用的观点看，尤其是应用常规仪表组成的控制系统，总是力求控制仪表的模式具有一定的通用性，以利于设计、运行和维护。实践证明，相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。2111)(LLfPdffeSTSTKSG2.4-13 超前滞后环节-1111STKKSTSTf
14、fP2.4-14 1fPTTK2.4-15图 2.4-13 超前滞后环节的等效图 纯滞后补偿 12121SSeffsf (2.4-16)当f较 小 时，2)2(212)2(212222ssseeeffffsSsfff =ssff21212.4-17 2111)(LLfPdffeSTSTKSG2.4-18 上式所示为带有纯滞后的超前滞后前馈控制规律，其纯滞后环节按 12121SSeffsf2.4-19 近似展开。此种超前滞后前馈补偿模型，已成为目前广泛应用的一种动态前馈补偿模式。这种通用型前馈控制模型在单位阶跃作用下的输出特性为：-1)11(1)(Ttetm2.4-20 式中，12TTTTPf，1，fT1，fTPT欠补偿。相应于1 的时间特性曲线示于图 2.4-14 及 2.4-15。图 2.4-14 过补偿1 由图可见，当1 时，即fTPT，前馈补偿带有超前特性，适用于对象控制通道滞后(这里的滞后是指容量滞后，即时间常数)大于干扰通道滞后。而假设1 时，即fT PT，潜亏补偿带有滞后性质，适用于控制通道的滞后小于干扰通道的滞后。