6-前馈控制系统.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,前馈控制系统,Feedforward Control,戴连奎,浙江大学智能系统与决策研究所,2004/03/25,内 容,前馈控制的原理,非线性静态前馈控制的设计方法,前馈控制系统的动态补偿,前馈反馈控制系统,仿真举例,前馈控制的概念,D,1,，,D,n,为可测扰动；,u,，,y,分别为被控对象的操作变量与受控变量。,前馈思想,：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。,前馈控制方块图,u,(,t,)、,y,(,t,)分别,表示控制变量与被控变量；,d,(,t,),表示某一外部干扰,;,G,YD,(,s,),、,G,YC,(,s,),分别为干扰通道与控制通道的动态特性；,G,FF,(,s,),为前馈控制器的动态特性。,控制目标：,前馈不变性原理,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。,静态前馈控制,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”。,静态前馈控制方式,：,线性静态前馈：,非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前馈控制器结构与参数。,非线性静态前馈控制,稳态平衡关系：,讨论,:,前馈控制器的实现与相关测量仪表的影响,前馈控制算法,假设,T,1,、,T,2,的测量范围为,T,1min,T,1max,、,T,2min,T,2max,R,V,、,R,F,的测量范围为,0,R,V,max,、,0,R,F,max,；而各测量信号,T,1,m,、,T,2,m,、,R,Vm,、,R,Fm,及设定值均为,0 100%.,换热器动态仿真模型,(参见模型/,FFControl/ExHeater.mdl),静态工作点,:T1=20,RF=10 T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180.T2,仪表量程为,100300,RV,仪表量程为,05 T/hr.,干扰通道纯滞后可忽略,控制通道纯滞后为,2.5 min.,换热器的静态前馈控制器,假设静态工作点为,:,T1=20,RF=10 T/hr,RV=2T/hr,Kv=800,T2=180.T2,的测量仪表量程为,100 300,RV,仪表量程为,0 5 T/hr,，,T1,量程为,0 50,RF,仪表量程为,0 20 T/hr.,则其静态前馈控制算法为,换热器静态前馈控制仿真,讨论：分析稳态不变性原理以及系数,Kvm,对前馈控制性能的影响，(参见模型/,FFControl/ExHeaterStaticFFC.mdl),前馈控制的动态补偿,讨论,：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时，需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为,这里，,g,YD,(,s,)、,g,YC,(,s,),分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为,1。,非线性系统的动态前馈补偿,对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：,其中,对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对象处理。动态前馈补偿的一般形式为,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变性（但存在可实现问题）,按偏差控制，存在偏差才能调节，（滞后调节）,开环调节，无稳定性问题,闭环调节，存在稳定性问题,系统仅能感受有限个可测扰动,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，要求已知而且准确,对通道模型要求弱，大多数情况无需对象模型,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,换热器的前馈反馈控制方案1,换热器的前馈反馈控制方案2,特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。,换热器反馈控制系统举例,(参见模型/,FFControl/ExHeaterPID.mdl),换热器前馈反馈控制系统,#1,(参见模型/,FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl),换热器前馈反馈控制系统,#2,(参见模型/,FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl),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。,练习题,下图所示的换热器采用蒸汽加热工艺介质，要求介质出口温度达到规定的控制指标。试分析下列情况下应选择哪一种控制方案，并画出带控制点的流程图与方块图。,（1）工艺介质流量,G,F,与蒸汽阀前压力,P,V,均比较稳定；,（2）介质流量,G,F,比较稳定，但压力,P,V,波动较大；,（3）蒸汽压力,P,V,比较稳定，但介质流量,G,F,波动较大。,