前饋及復(fù)合控制.doc

前饋及復(fù)合控制一、前饋及復(fù)合控制的基本概念在前面討論的控制系統(tǒng)中，控制器都是按被控參數(shù)或其反饋值與給定值的偏差大小進(jìn)行控制的，這種控制系統(tǒng)稱為反饋控制系統(tǒng)。對于反饋控制系統(tǒng)無論是什么干擾引起被控參數(shù)的變化，控制器均可根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是其優(yōu)點(diǎn)；但從干擾產(chǎn)生到被控量發(fā)生變化以及偏差產(chǎn)生到控制作用產(chǎn)生，再由控制量改變到被控量發(fā)生變化，都需要一定的時(shí)間，所以控制總是落后于干擾作用。由于反饋控制的作用機(jī)理決定了無法將干擾克服在被控量偏離設(shè)定值之前。因此，對一些滯后較大的對象來說，控制作用總是不及時(shí)，從而限制了控制質(zhì)量的提高。為了解決上述問題，可以采用按擾動直接進(jìn)行控制，即當(dāng)擾動一出現(xiàn)，控制器就直接按擾動的性質(zhì)和大小，以一定規(guī)律進(jìn)行控制，可使被控量還未變化之前，就克服干擾對系統(tǒng)的影響，從而使控制作用提前和控制精度進(jìn)一步提高。這種按干擾進(jìn)行控制的方式稱為前饋控制?，F(xiàn)以圖7-16換熱器出口溫度控制為例作進(jìn)一步的說明。 圖7-16 換熱器出口溫度控制加熱蒸汽通過換熱器中排管的周圍，把熱量傳給排管內(nèi)的被加熱物料，物料的出口溫度由蒸汽管路上的控制閥調(diào)節(jié)。假設(shè)被加熱物料的進(jìn)料流量Q變化是影響被控制量出口溫度的主要擾動。若采用反饋控制見圖7-16 a）所示。當(dāng)物料流量Q發(fā)生擾動時(shí)，要等到出口溫度變化后，產(chǎn)生偏差，控制器才會動作，經(jīng)控制閥改變加熱蒸汽流量以后，又要經(jīng)過熱交換過程的慣性，才會使變化。這樣可能使產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差。如果采用前饋控制方式，見圖7-16 b）所示。用一個(gè)流量檢測變送器測取擾動量即被加熱物料的流量Q，并將信號送到前饋控制器。前饋控制器經(jīng)過一定的運(yùn)算去調(diào)節(jié)控制閥，以改變蒸汽流量來補(bǔ)償進(jìn)料流量Q變化對被控量的影響。只要蒸汽量改變的幅度和動態(tài)過程適當(dāng)，就可以顯著地減小或完全補(bǔ)償由于擾動量的波動所引起的出口溫度的波動。假如進(jìn)料擾動量為階躍變化，補(bǔ)償過程見圖717所示。圖7-17 前饋控制系統(tǒng)的補(bǔ)償過程圖中曲線a為不加控制時(shí)的溫度階躍響應(yīng)，曲線b是前饋控制作用引起的出口溫度變化曲線。若曲線b與曲線a大小相同，方向相反，則可能實(shí)現(xiàn)對擾動量的完全補(bǔ)償，從而使被控量與擾動量Q完全無關(guān)。從上面的討論可知，前饋控制作用很及時(shí)，當(dāng)擾動發(fā)生以后，不必等到被控量出現(xiàn)偏差就產(chǎn)生控制作用，在理論上可以實(shí)現(xiàn)對于干擾的完全補(bǔ)償。但是，在一個(gè)對象中被控量參數(shù)的干擾是多種多樣的，如果對所有的干擾都進(jìn)行前饋補(bǔ)償，則是不經(jīng)濟(jì)的，而且有許多干擾根本無法測定，所以，單純采用前饋控制方式是有局限性的。圖7-18為前饋控制與反饋控制比較示意圖，從中可以看出前饋控制與反饋控制的區(qū)別：1) 系統(tǒng)檢測信號不同：反饋控制檢測的信號是被控量，前饋控制的檢測信號是擾動信號。2) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)的依據(jù)不同：反饋控制基于偏差值的大??；前饋控制基于擾動量的大小進(jìn)行控制。3) 產(chǎn)生控制作用的及時(shí)性：反饋控制作用是在被控量反映干擾影響而偏離給定值后才開始調(diào)節(jié)；前饋控制作用卻發(fā)生在被控量偏離給定值之前。 過程對象調(diào)節(jié)手段反饋調(diào)節(jié)被調(diào)參數(shù)給定值前饋調(diào)節(jié)被調(diào)參數(shù)可測干擾圖7-18前饋控制與反饋控制比較示意圖4) 控制方式不同：反饋控制是閉環(huán)控制；而前饋控制是一種開環(huán)控制。前饋控制器在擾動量產(chǎn)生控制作用后，對被控量的影響并不反饋回來影響控制器的輸入量，因此是開環(huán)的。對于前饋控制系統(tǒng)的方塊圖可表示為圖7-19。從圖中可知：圖7-19前饋控制系統(tǒng)的方塊圖從擾動作用F到被控量Y之間有兩個(gè)通道：一路是從擾動F通過對象的擾動通道去影響Y；另一路是從擾動F通過前饋控制器與對象的調(diào)節(jié)通道去影響被控量，不存在反饋通道。由于前饋控制的效果不通過反饋加以檢驗(yàn)，所以一個(gè)合適的開環(huán)控制作用，必須要求對被控對象的特性比較清楚。5) 控制規(guī)律不同和控制品質(zhì)差異：一般的反饋控制系統(tǒng)均系采用通用類型的PID控制器，反饋控制不能使被控量始終保持在給定值上。而前饋控制是根據(jù)對象的特性設(shè)計(jì)的，對象的不同，前饋控制的規(guī)律也不同，所以是一種專用控制器。前饋控制在理論上可實(shí)現(xiàn)最完善的控制，使被控量維持在給定值上。實(shí)現(xiàn)對干擾完全補(bǔ)償?shù)那梆伩刂破鱾鬟f函數(shù)可應(yīng)用不變性原理進(jìn)行推導(dǎo)。例見圖7-19系統(tǒng)在干擾的作用下的傳遞函數(shù)為 （7-18）系統(tǒng)對干擾F實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是而（7-19）將式（7-19）代入式（7-18）即得這樣前饋控制器的傳遞函數(shù)為（7-20）從式（7-20）中可以看出前饋控制器的控制規(guī)律取決于對象干擾通道的特性與控制通道的特性之比。式中負(fù)號表示控制作用的方向與干擾作用的方向相反。（6）實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性與可能性：反饋控制只要一個(gè)控制回路就可以控制各種干擾對被控量的影響；而前饋控制是開環(huán)控制方式，根據(jù)一種干擾設(shè)計(jì)的前饋控制器只能克服這一干擾。要克服所有干擾對被控量的影響，需要對所有干擾都獨(dú)立形成一個(gè)控制，因而不經(jīng)濟(jì)，也不可能。而且前饋控制要求干擾必須是可以測量的，對于不可測量的干擾量就不能進(jìn)行前饋控制。通過以上比較可知，前饋控制和反饋控制各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，可以取長補(bǔ)短組合起來構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)，即所謂的“前饋反饋”控制系統(tǒng)。在兩種控制過程中，選擇被控對象中的主要干擾，反饋控制最不容易克服的干擾，用前饋控制加以補(bǔ)償；而對其它引起被控量變化的各種干擾采用反饋控制加以克服,從而充分利用這兩種控制的特點(diǎn)使控制質(zhì)量進(jìn)一步提高。這種把按擾動的前饋控制與按偏差的反饋控制結(jié)合起來的系統(tǒng)，就稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)即有利于克服系統(tǒng)主要干擾的影響，又可以借反饋來消除其它干擾的影響。當(dāng)前饋控制效果不夠理想，反饋控制還可以幫助削弱主要干擾對被控量的影響，并且可以消除靜差。通常所說的前饋控制系統(tǒng)就是這樣的復(fù)合控制系統(tǒng)。二、前饋控制系統(tǒng)的幾種典型結(jié)構(gòu)形式1單純的前饋控制系統(tǒng)根據(jù)對干擾補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，單純的前饋控制系統(tǒng)可分為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)和動態(tài)前饋控制系統(tǒng)。（1）靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)是指前饋控制器的輸出僅是輸入的函數(shù)，而與時(shí)間因子無關(guān)。在許多工業(yè)對象中，為了便于工程上的實(shí)施，前饋控制器僅以對象的靜態(tài)放大系數(shù)作為校正的依據(jù)，其傳遞函數(shù)為（7-21）式中干擾通道的放大系數(shù)； 控制通道的放大系數(shù)； 和可用實(shí)驗(yàn)的方法獲得。靜態(tài)前饋控制是前饋控制中最簡單的形式，用一般的比例器或比例控制器就可以實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)施方便，在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。對于只要求穩(wěn)定工況下對擾動的補(bǔ)償或干擾通道與控制通道滯后相差不大時(shí)，均可獲得較好的控制精度。在干擾作用下靜態(tài)控制可以使被控量的靜態(tài)偏差等于或接近于零。（2）動態(tài)前饋控制靜態(tài)前饋控制不能保證在干擾作用下，被控量的動態(tài)偏差等于或接近于零。對于動態(tài)偏差要求嚴(yán)格的場合，可以采用動態(tài)前饋控制，其作用在于力求在任何時(shí)刻均實(shí)現(xiàn)對干擾的補(bǔ)償。動態(tài)前饋的補(bǔ)償過程見圖7-17所示。通過合適的控制規(guī)律的選擇，使干擾經(jīng)過前饋控制器至被控量這一通道的動態(tài)特性與干擾的動態(tài)特性完全一致，并使它們的符號相反，便可以達(dá)到控制作用完全補(bǔ)償干擾對被控量的影響。此時(shí)前饋控制器的傳遞函數(shù)和式（7-20）完全一致。2復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式甚多，下面介紹兩種典型的結(jié)構(gòu)形式：前饋反饋控制和前饋串級控制。（1） 前饋反饋控制在生產(chǎn)過程中，單純使用前饋控制是很難滿足工藝要求的。從前面的討論可知，前饋控制的局限性主要表現(xiàn)在：實(shí)際生產(chǎn)過程中存在各種干擾，對每一個(gè)設(shè)計(jì)前饋控制是不現(xiàn)實(shí)的。而且有些干擾難以測量，就無法實(shí)現(xiàn)前饋控制。前饋控制的規(guī)律與對象的特性有關(guān)。對象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生漂移。這將導(dǎo)致前饋控制的精度下降。前饋控制又是一個(gè)開環(huán)控制，沒有反饋信號作進(jìn)一步的修正。前饋控制的這些弱點(diǎn)，正好可由反饋控制來彌補(bǔ)。為了充分發(fā)揮前饋控制與反饋控制的優(yōu)點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來，構(gòu)成了前饋反饋控制系統(tǒng)。前饋反饋控制系統(tǒng)中綜合了單純前饋控制和反饋控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，將反饋控制不易克服的主要干擾進(jìn)行前饋控制，而對于其他干擾進(jìn)行反饋控制，這樣既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的特點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服各種干擾，并對被控量始終給以檢測的優(yōu)點(diǎn)。因此，目前工程上使用的前饋控制系統(tǒng)，大多數(shù)屬于前饋反饋控制類型。仍以換熱器對象為例，當(dāng)主要干擾為物料流量時(shí)，相應(yīng)的前饋-反饋控制系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)圖分別見圖7-20和圖7-21。圖7-20 換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)。圖7-21 換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖7-20可以看出，當(dāng)換熱器負(fù)荷F發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器首先獲得此信息，并立即按一定的控制作用改變加熱蒸汽量，以補(bǔ)償F對被控量Y的影響。同時(shí)，對于前饋未能完全消除的偏差，以及未引入前饋的其他干擾如物料進(jìn)口溫度、蒸汽壓力等波動引起的Y變化，在溫度控制器獲得Y的偏差信息后，按PID作用對蒸汽量產(chǎn)生控制作用。這樣一個(gè)通道按干擾控制，另一個(gè)通道按偏差控制，兩種控制作用相疊加，將使Y盡快地回到給定值。復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）復(fù)合控制時(shí)，擾動對輸出的影響要比純前饋時(shí)小得多由圖7-21可知，干擾F對被控量Y的閉環(huán)傳遞函數(shù)為（7-22）將式（7-22）與（7-18）比較，即將前饋反饋控制與單純的前饋控制相比較，在前饋-反饋控制時(shí)，由于反饋控制作用的存在，被控量Y受干擾F的影響要比單純前饋控制時(shí)縮小到分之一。2）引入反饋控制后，前饋控制中的完全補(bǔ)償條件不變應(yīng)用不變性條件：F（s）0 ， Y(s)0代入式（7-22）中，可推導(dǎo)出完全補(bǔ)償條件的前饋控制器傳遞函數(shù)： （7-23） （7-24）比較式（7-24）和式（7-20）可知前饋反饋控制方案與前饋控制方案實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是相同的。3）前饋補(bǔ)償對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響從式（7-22）可知，前饋反饋控制與反饋控制的傳遞函數(shù)分母相同，即系統(tǒng)特征方程不變。因此，引入前饋控制不會影響反饋控制的穩(wěn)定性。在反饋控制系統(tǒng)中控制精度與穩(wěn)定性是矛盾的。因而往往為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制精度。而前饋反饋控制系統(tǒng)則具有控制精度高，穩(wěn)定速度快的特點(diǎn)，因而在一定程度上解決了穩(wěn)定性與控制精度間的矛盾。例：有一個(gè)熱交換器，要求出口液體的溫度Y保持不變，采用復(fù)合控制系統(tǒng)見圖7-22 所示，其各部分的傳遞函數(shù)為：對象控制通道傳遞函數(shù)：擾動F作用的對象擾動通道傳遞函數(shù)：控制閥傳遞函數(shù)：流量測量變送器傳遞函數(shù)：溫度測量變送器傳遞函數(shù)：其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖7-23所示圖7-22熱交換器復(fù)合控制系統(tǒng)圖7-23熱交換器復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中為反饋控制器傳遞函數(shù)，為前饋控制器傳遞函數(shù)。根據(jù)不變性條件得：代入已知的傳遞函數(shù)整理得： （7-25）從式（7-25）可見，前饋控制器為一個(gè)PD控制器比例帶： 微分時(shí)間為： （2）前饋串級控制系統(tǒng)分析圖7-20所示的換熱器前饋反饋控制系統(tǒng)可知，前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出疊加后，直接作用在控制閥上。由于前饋控制是一種開環(huán)控制方式，為了保證前饋控制的精度，對于控制閥提出了嚴(yán)格的要求，希望其靈敏、線性和具有盡可能小的滯環(huán)區(qū)。此外還要求控制閥前后的壓差恒定，否則，同樣的前饋輸出將產(chǎn)生不同的蒸汽流量，從而無法實(shí)現(xiàn)精確的校正。為了解決上述問題，降低對控制閥的要求，進(jìn)一步提高前饋的精度，可以在圖7-20所示的前饋反饋控制系統(tǒng)中再增加一個(gè)蒸汽流量的控制回路，把前饋控制器的輸出與溫度控制器的輸出疊加后作為蒸汽流量控制器的給定值，構(gòu)成見圖7-2