前馈控制比值

前馈部分：前面已经学过串级控制，其基本思想是基于双反馈控制，如果过程干扰发生后，其首先影响到的会是过程的中间变量，因此只要我们引入内环反馈，检测中间提前感知扰动的发生，并给出补偿，就能比单闭环系统调节更加及时。

但无论是单闭环系统还是双闭环系统，归根结底都是反馈控制原理。

而单纯的反馈控制存在如下局限性：（1）从反馈的固有特性来看○1即便原先各环节都是稳定的，加入反馈构成闭环控制后也可能导致系统不稳定，需要做进一步分析。

○2假如扰动频繁，由于任一反馈回路有它固有的自然频率，回路可能会很难达到稳定状态。

（2）从反馈的基本原理来看反馈控制是“基于偏差的控制”，因此只有先计算出偏差，才有反馈的控制，因此其是一个“不及时”的控制，不可能到达完美程度。

（3）从反馈的方法角度来看反馈控制是基于“试错法”进行的，需要一段时间不断地改变输出值去匹配给定值，因此会产生振荡、超调等等问题。

这就是我们要引入前馈控制的原因。

在过程干扰刚刚出现时就及时做出补偿，这就是前馈控制。

它与反馈控制的区别在于不必去检测中间变量来去判断扰动的发生和去修正，而是在干扰一出现时就给予补偿，以避免其对中间变量及控制量产生影响。

因此，其最大的优点在于无论扰动何时出现，都可以立即开始校正，使扰动在影响被调量之前就被抵消掉。

当然，前馈控制有个非常重要的前提就是这个过程干扰一定是可测的，如果不可测，对其补偿无从谈起。

在d2满足以下三个条件时：○1该扰动变量可以可靠地测量；○2该扰动变量不受过程输入变量u的影响（若受则构成闭环反馈）；○3此干扰通道与调节通道的动态特性相近；则可引入如图所示的前馈控制。

易得在能得到在有过程扰动和前馈控制下系统传递函数为则可计算得前馈补偿传递函数应满足此时即可实现对干扰量d2的完美补偿。

比较通用的前馈控制器结构是这个结构中有四个参数，各参数的作用如下：○1增益K ff代表干扰通道与调节通道中过程稳态增益的比值，其作用是放大补偿器的输出响应。

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前馈PID控制控制量=前馈+PID，前馈实际上是利用对象特征，属于开环控制。

优点是提高系统响应速度，减小反馈控制压力。

如果对对象特征不清楚，就无法用前馈。

在控制算法调试过程中注意一下事项：1.控制周期确定控制周期应该与系统的响应匹配，相应传感器采样周期与控制周期大体一致。

如果传感器采样周期比控制周期大很多，可能造成系统不稳定。

如电机控制中电流变化快，毫秒级变化，相应的电流环周期应该是毫秒级，电流采用也是毫秒级。

目前电动自行车控制器电流环控制周期是2ms，速度环相对比较慢，大概100ms。

2.前馈控制量确定1）电机控制u=i*R+L*di/dt+E (1)E=K*w (2)由(1)式可知：控制电压在电阻、电感和反电动势三个部分消耗掉。

反电动势E与角速度w成正比，在空载情况下，可以粗略认为，控制电压完全消耗在反电动势上。

这样通过加载不同控制量，就可以求出(2)式中的K值。

速度控制中可以把E作为前馈控制量，即：u=E+PID。

2）气动伺服控制可以离线测出不同控制量所对应的压力，这样可粗略反算出达到某压力，大致需要控制量，并用这个控制量作为前馈量。

3.比例控制在不产生振荡前提下，尽可能提高Kp值，这样响应快，不考虑积分时稳态误差小，但过大会造成振荡。

4.积分控制作用：消除稳态误差，缺点：过大易超调振荡，过小响应速度慢。

过调时可消除积分量，如：if((error<0)&&(intergration>0))intergration=intergration*0.8;else if ((error>0)&&(intergration<0))intergration=intergration*0.8;如果直接消除积分即：intergration=0，导致控制量不连续，产生脉动。

另外可做积分饱和处理，减小积分副作用。

5.微分控制1）作用：利用变化趋势特征，阻碍趋势改变。

第7章前馈控制图7.1这个控制系统具体表达了向前的信息流7.1按过程模型构成控制系统液位和压力系统图7.2汽包锅炉中的给水流量被设置成等于蒸汽流量2过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）液位均匀控制图7.3对液位调节器的输出和设定值同时加前馈，可使流出量的平稳性最佳温度和成分系统应用于换热器图7.4前馈控制系统要计算出正确的蒸汽流量以适应当时的热负荷图7.5实现稳态热平衡需要三部分计算过程控制系统——应用、设计与整定（第3版） 3图7.6如果稳态的热平衡计算是正确的，那么负荷变化之后，温度将会回到设定值7.2比值控制系统图7.7用两个变量的比值作为调节器的输入，就把除法器包括在闭合回路中图7.8所推荐的这种比值控制结构具有在4过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）闭合回路之外的比值计算流量比值控制图7.9以串级的方式设定两个流量的比值，用以控制混合物的成分数字式混合系统图7.10任何一个调节器的输出达到阀位调节器的整定值时，都会选通主振荡器的信号图7.11流量控制会产生体积偏差过程控制系统——应用、设计与整定（第3版） 5图7.12第二个积分动作用一个等量的盈余来抵消体积的差额，但回路要花费较长的时间才能达到稳态7.3动态补偿的应用确定过程对控制的要求图7.13当两个输入通道的动态环节不同时，就需要进行补偿图7.14没有动态补偿时，将产生一个持续时间等于6过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）两个迟延时间之差的瞬态过程图7.15图7.16图7.17过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）7图7.18动态补偿器图7.198过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）动态补偿器的调整图7.20过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）9图7.217.4引入反馈反馈的作用在何处引入反馈图7.22用反馈调节器来设置前馈系统的设定值图7.23 如果设定值响应比较重要，应该也把设定值送给前馈回路图7.24 一个完整的热交换器控制系统包括动态补偿和一个具有抗积分饱和的反馈调节器10过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）相互适应7.5经济方面的考虑7.6小结参考文献1. Luyben, W. L., and P. S. Buckley, “A Proportional Lag Level Controller,”InTech, December 1977.2. MacDonald, K. A., T. J. McAvoy, and A. Tits, “Optimal Averaging Level Control,” AIChE J., January 1986.3. Shinskey, F.G., “Feedforward Control Applied,” ISA J., November 1963.4. Samson, J. E., “Improvements in or Relating to Automatic Force Balance Apparatus,” Br. Patent 860, 485, February 8, 1961.5. Bristol, E. H., and P.D. Hansen, “Moment Projection Feedforward Control Adaptation,” Proc. 1987 American Control Conference, pp. 1755—1762.6. Shinskey, F. G., “From Process Knowledge to Computer Control,” Proc. Third Pacific Area Chemical Engineering Congress, Seoul, May 5—8, 1982.习题7.1在热交换器控制系统中，当蒸汽和液体的流量以满刻度的百分比计相等时，液体的温度将提高100。

一文说清串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统导读控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于简单而言的。

凡是多参数，具有两个以上变送器、两个以上调节器或两个以上调节阀组成多回路的自动控制系统，称之为复杂控制系统。

目前常用的复杂控制系统有串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等，并且随着生产发展的需要和科学技术进步，又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。

1、串级控制系统串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点是两个调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的设定，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。

1、基本概念串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。

它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。

•主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器。

•副调节器(副控制器)：其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作。

•主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个外回路。

•副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所包括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路)•主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数(主变量)。

•副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为副参数(副变量)。

2、串级控制系统的特点串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个特点：1.对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；2.可以改善对象特性，提高工作效率；3.可消除调节阀等非线性特性的影响；4.串级控制系统具有一定的自适应能力3、串级控制系统参数整定和系统投运串级控制系统的投运和简单控制系统一样，要求投运过程保证做到无扰动切换。