第4章 前馈控制和比值控制

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1、第4章前馈控制和比值控制反馈控制广泛应用于流程工业，它具有通用性强、鲁棒性好、可克服所有干扰、无需建立对象模型等特点。但反馈控制也存在着一些不足之处。1.反馈控制只有在被控变量产生偏差以后才能产生校正作用，因此它不能实现被控变量完全不受干扰影响的理想控制。2.反馈控制不能提供预测的功能，无法补偿已知的或可以测量的干扰的影响。3.当被控变量不能在线测量时，反馈控制是无法采用的。对于那些采用反馈控制无法获得满意效果且干扰可在线测量的过程，加入前馈控制往往能显著改善控制品质。所谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特

2、性。4.1.1前馈控制系统的基本概念到目前为止，所讨论的控制系统（单回路）是有反馈的闭环控制系统。1）其特点是：当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差时，控制器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响。2）被控参数产生偏差的原因——由于扰动的存在。3）设想：倘若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制正是基于这种思路提出来的。在过程控制领域中，前馈和反馈是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。4.1前馈控制系统采用单回路控制：

3、被控参数：热流体出口温度2控制参数：蒸汽流量qD干扰因素：被加热物料流量q，入口温度1蒸汽压力pD系统分析：当扰动（如被加热的物料流量q，入口温度1或蒸汽压力pD等的变化）发生后，将引起热流体出口温度2发生变化，使其偏离给定值20，随之温度调节器按照被控量偏差值（e=20-2）的大小和方向产生控制作用，通过调节阀的动作改变加热用蒸汽的流量qD，从而补偿扰动对被控量2的影响。图4－1换热器温度反馈控制系统1反馈控制的特点图4－1为换热器温度控制系统原理框图。图中:2为热流体温度；1为冷流体温度；q为流体流量；qD为蒸汽流量;pD

4、为蒸汽压力;TT为温度测量变送器;20为热流体温度给定值;TC为温度调节器;Kv为温度调节阀门。由此可归纳出反馈控制的特点如下：(1）反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。(2）无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落后于扰动作用的发生，是一种“不及时”的控制。(3）反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。(4）引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影响。(5）反

5、馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、PI、PD、PID等典型规律。前馈控制（简称FFC），又称干扰补偿，它与反馈控制完全不同，是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的。在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出时，调节器便发出调节信号使调节参数作相应的变化，使两者相互抵消于被控参数发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。2前馈控制的原理与特点：对图4－1所示的换热器，采用如图4－2所示的前馈控制系统。假设换热器的物料流量q是影响被控量Q2的主要扰动，此时q变化频繁，变化幅值大，且对出口温度Q2的影响最为显著。为此，采用前馈控制

6、方式：即通过流量变送器测量物料流量q，并将流量变送器的输出信号送到前馈补偿器，前馈补偿器根据其输入信号，按照一定的运算规律操作调节阀门，从而改变加热用蒸汽流量qD，以补偿物料流量q对被控温度的影响。？图4-2换热器前馈控制示意图qD（1）前馈控制的理论基础(不变性原理)前馈控制的基本原理是：测量进入过程的干扰量(包括外界干扰和设定值变化)，并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控制变量维持在设定值上。不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。“不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。对于任何一个系统，总是希望被

7、控变量受扰动的影响越小越好。然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控量的这种影响。不变性定义为当f(t)≠0时，△y(t)≡0(4—1)即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。一般情况下存在着以下几种类型的不变性。①绝对不变性所谓绝对不变性是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。如图4-3所示。所以,若适当选择前馈控制器的传递函数GB(s)，可以做到F(s)对Y(s)不产生任何影响，即

8、实现完全的不变性。y1y=y1+y2y2f(t)t图4-3扰动补偿原理②误差不变性误差不变性又称为(epsilon)不变性，是指在扰动