5.前馈控制系统-过程控制(自动化)解析
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前馈控制的名词解释
前馈控制是指系统中的输出量通过某种信号或因素,并被作为反馈信号输入系统内部,对系统输入量进行调节和控制,从而实现系统特定运行目标的一种控制方式。
其特点是通过调节截止响应,抑制了反馈变换器和稳定器对输出信号的干扰,达到了稳定控制的目的,是现代自动控制系统的核心技术之一。
前馈控制的应用广泛,它可以涉及到温度控制、速度控制、压力控制、比例控制和流量控制等。
它可以帮助设计者降低系统响应时间,提升稳定性,减少变化幅度,达到最佳控制结果。
前馈控制是分析控制系统的重要工具,它能够用于描述系统状态信息和控制反馈信息,从而实现系统更精确、更安全的控制。
前馈控制可以分为流量和压力前馈,流量前馈可以改善流量的控制精度,而压力前馈则可以改善压力的控制精度。
此外,前馈控制具有自动比例控制的能力,可以采用自动步进控制器来控制比例反馈,实现更加精确的控制。
它同样可以采用PID(比例-积分-微分)控制,调节控制量达到最优化的控制效果,有效改善了系统特性,提高了系统稳定性。
前馈控制因其强大的控制能力,被广泛应用到工业控制领域,它为控制系统的性能提供了巨大的优势,比如改善系统控制质量、稳定系统输出、降低抗干扰能力等,是实现自动控制的必要手段和核心技术之一。
总之,前馈控制是一项重要的自动控制技术,它可以使得系统响
应快速,稳定性高,并可以使系统准确地设定和控制,从而达到最佳控制效果。
而通过不断发展调整前馈控制参数,可以有效提高系统控制装置的性能和稳定性,为实现精确的控制奠定基础。
名词解释前馈控制前馈控制是一种控制系统中使用的一种控制算法,它的基本原理是根据系统输入和已知的系统模型来预测系统输出,并根据这个预测来制定控制策略。
前馈控制可以有效地抵消外部干扰和系统动力学特性对系统的影响,提高控制系统的稳定性和性能。
前馈控制的核心思想是通过提前知晓系统输入对系统输出的影响,进而根据这些信息来进行控制。
在前馈控制中,通常会使用系统模型来建立输入和输出之间的数学关系。
这个模型可以基于系统的物理特性、经验数据或者理论推导来得到。
根据模型,前馈控制可以通过计算系统输入和输出之间的差异来确定控制策略,以期望输出接近于预期值。
在前馈控制中,常用的控制策略包括比例控制、积分控制和微分控制。
比例控制根据输入和输出之间的差异来确定控制量的大小,积分控制根据输入和输出之间的积分误差来调整控制量,微分控制则根据输入和输出之间的变化率来调整控制量。
这些控制策略可以单独或者结合使用,以达到预期的控制效果。
前馈控制在许多领域中都有广泛的应用。
在机械控制系统中,前馈控制可以用于抑制振动和提高系统的响应速度。
在化工过程中,前馈控制可以用于优化反应过程和减少能源消耗。
在电力系统中,前馈控制可以用于提高电网稳定性和降低线损。
此外,前馈控制还可以应用于航空航天、交通运输、自动化生产线等领域。
虽然前馈控制具有许多优点,但也存在一些局限性。
首先,前馈控制通常需要准确的系统模型和输入信息,如果这些信息不准确或者有误差,控制效果可能会降低。
其次,前馈控制无法处理未知的干扰和变化,只能预测已知输入对输出的影响。
因此,在实际应用中,通常会将前馈控制与反馈控制相结合,以克服各自的不足,实现更好的控制效果。
总之,前馈控制是一种通过预测系统输入对输出的影响来进行控制的算法。
它可以有效地抵消外部干扰和系统动力学特性对系统的影响,提高控制系统的稳定性和性能。
然而,前馈控制的有效性取决于准确的系统模型和输入信息,因此在实际应用中需要综合考虑其他因素来选择合适的控制策略。
自动化仪表与过程控制题库一、选择题(每题3分,共30分)1. 自动化仪表按照功能分类,以下不属于的是()A. 检测仪表B. 显示仪表C. 执行仪表D. 超级仪表答案:D。
解析:自动化仪表按照功能分为检测仪表、显示仪表、执行仪表等,没有超级仪表这种分类。
2. 过程控制系统中,最常用的控制算法是()A. 比例控制B. 积分控制C. 微分控制D. 比例 - 积分 - 微分控制答案:D。
解析:比例 - 积分 - 微分控制(PID控制)综合了比例、积分、微分三种控制作用的优点,是过程控制系统中最常用的控制算法。
3. 自动化仪表的精度等级是根据()来划分的。
A. 基本误差B. 回程误差C. 引用误差D. 绝对误差答案:C。
解析:自动化仪表的精度等级是根据引用误差来划分的,引用误差越小,精度等级越高。
4. 以下哪种传感器可以用来测量温度()A. 压力传感器B. 电容传感器C. 热电偶D. 电感传感器答案:C。
解析:热电偶是一种常用的温度传感器,它基于热电效应工作,能够将温度转换为电势信号。
5. 在过程控制系统中,被控对象的特性不包括()A. 放大系数B. 时间常数C. 滞后时间D. 采样时间答案:D。
解析:被控对象的特性包括放大系数、时间常数和滞后时间等,采样时间是与控制系统的采样有关,不属于被控对象特性。
6. 显示仪表按照显示方式分类,不包括()A. 模拟式显示仪表B. 数字式显示仪表C. 图像式显示仪表D. 混合式显示仪表答案:C。
解析:显示仪表按照显示方式分为模拟式显示仪表、数字式显示仪表和混合式显示仪表,没有图像式显示仪表这种分类。
7. 自动化仪表的信号传输方式中,以下哪种传输距离较短()A. 电流信号传输B. 电压信号传输C. 数字信号传输D. 脉冲信号传输答案:B。
解析:电压信号传输时,由于电压容易受到线路电阻的影响,传输距离较短,而电流信号传输抗干扰能力强,传输距离相对较长。
8. 以下关于执行器的说法错误的是()A. 执行器是过程控制系统中的终端控制元件B. 执行器根据控制信号来改变被控对象的操作变量C. 执行器只有气动执行器一种类型D. 电动执行器也是常见的执行器类型答案:C。
自动化过程的控制原理
自动化过程的控制原理主要包括反馈控制原理和前馈控制原理。
1. 反馈控制原理:反馈控制是通过测量和比较被控对象的输出信号和设定值(或参考信号)之间的差异,来产生控制信号以调节被控对象的运行状态。
具体原理如下:
a. 传感器感知被控对象的输出信号,并将其转化为电信号。
b. 控制器接收到传感器输出的信号,并将其与设定值进行比较。
c. 控制器根据比较结果产生误差信号,并通过某种算法计算出控制量。
d. 控制器输出的控制量通过执行器作用于被控对象,改变其运行状态。
e. 被控对象的运行状态改变后,再次被传感器感知,形成闭环控制。
2. 前馈控制原理:前馈控制是根据被控对象的运行特性和输入信号的要求,提前在系统中加入预测模型和补偿装置,通过预测和修正被控对象的输出,使其更接近设定值。
具体原理如下:
a. 根据被控对象的运行特性,建立一个预测模型,预测输入信号与输出信号
之间的关系。
b. 通过预测模型计算出一组控制信号,这组信号作为输入信号的补偿,可以使得被控对象的输出更接近期望值。
c. 将计算得到的控制信号与设定值结合,作为总的控制量。
d. 总的控制量通过执行器作用于被控对象,控制其运行状态。
前馈控制相比反馈控制更加灵敏和准确,但它也对被控对象的特性要求更高,需要提前对系统进行建模和补偿装置的设计。
因此在实际应用中,通常会将反馈控制和前馈控制相结合,以充分发挥两者的优势。
第6章 思考题与习题1.基本练习题(1)与单回路控制系统相比,串级控制系统有什么结构特点? 答:串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器,形成了两个闭合回路,其中一个称为副回路,一个称为主回路。
由于副回路的存在,使得控制效果得到了显著的改善。
(2)前馈控制与反馈控制各有什么特点?为什么采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质?答:前馈控制的特点:开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。
反馈控制的特点:属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。
采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响;另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上,从而保证系统有较高的控制质量。
(3)前馈控制系统有哪些典型结构形式?什么是静态前馈和动态前馈?答:静态前馈:是指前馈补偿器的静态特性,是由干扰通道的静态放大系数和控制通道的静态放大系数的比值所决定的,它的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于零,而不考虑其动态偏差。
动态前馈:必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性加以确定,鉴于动态补偿器的结构复杂,只有当工艺要求控制质量特别高时才需要采用动态前馈补偿控制方案。
(4)单纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用? 答:因为前馈控制做不到对干扰的完全补偿:1)前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。
对不可测的干扰则无法实现前馈控制;2)在实际生产过程中,影响被控参数变化的干扰因素是很多的,不可能对每一个干扰设计和应用一套前馈补偿器;3)前馈补偿器的数学模型是由过程的动特性()F G s 和0()G s 决定的,而()F G s 和0()G s 的精确模型是很难得到的;即使能够精确得到,由其确定的补偿器在物理上有时也是很难实现的。
(5)简述前馈控制系统的选用原则和前馈控制系统的设计。
答:1)前馈控制系统的选用原则为:a)当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰、反馈控制又难以克服其影响、工艺生产对被控参数的要求又十分严格时,为了改善和提高系统的控制品质,可以考虑引入前馈控制。
过程控制系统典型类型分析摘要:本文主要介绍过程控制系统的典型控制类型,主要有单闭环控制系统、串级控制系统、前馈控制系统、开环比值控制系统、单闭环比值控制系双闭环比值控制系统。
并对这些控制系统进行分析,说明适用环境与控制类型。
关键词:控制系统自动化过程控制1.单闭环控制系统单闭环控制系统就是根据系统输出变化的信息来进行控制,即通过比较输出与期望值之间的偏差,并消除偏差以获得预期的系统性能。
在单闭环控制系统中既存在由输入到输出的信号前向通道,又存在从输出到输入的反馈通路,两者组成一个闭合的回路。
因此,单闭环控制系统是自动控制系统的主要形式。
单闭环控制系统适合控制变量单一的工艺过程,如室内温度的控制,被控对象为加热器及房间,被控量是室内的温度。
图1 单闭环控制系统方框图如室内温度的控制,被控对象为加热器及房间,被控量是室内的温度2.串级控制系统串级控制系统是由其结构上的特征而得名,它是由主、副两个控制器串接工作的,主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。
串级控制系统用于克服被控过程较大的容量滞后、较大的纯滞后,还能抑制变化剧烈且幅度大的扰动与克服被控过程的非线性。
如加热炉出口温度与炉膛温度的控制,被控对象为出口温度对象,被控量是出口温度。
图2 串级控制系统方框图3.前馈控制系统前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰,并对其信号产生适合的控制作用去改变操纵量,使受控变量维持在设定值上。
前馈控制系统只能克服可测不可控的扰动。
如换热器的静态前馈控制,被控对象为换热器,被控量为换热器出口温度。
图3 前馈控制系统及其方框图4.比值控制系统4.1开环比值控制系统当系统处于稳定工作状态时,两物料的流量满足比值关系;当主动量受到干扰而发生变化时,系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度,调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系;当从动量受到外界干扰波动时,由于是开环控制,没有调节从动量自身波动的环节,也没有调整主动量的环节,故两种物料的比值关系很难保持不变,系统对此无能为力。
前馈控制系统的基本原理前馈控制系统前馈控制系统的基本原理前馈控制的基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),并按其信号产⽣合适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θ需要维持恒定,选⽤反馈控制系统。
若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s G 为操纵变量。
图2.4-1 反馈控制图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:)()()()()(1S G S G S G S Q S Q PC ff PD +=(2.4-1)式中)(s G PD 、)(s G PC 分别表⽰对象⼲扰道和控制通道的传递函数;)(s G ff 为前馈控图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:)(≠sQ时,要求0)(=sθ(2.4-2)将(1-2)式代⼊(1-1)式,可得)(s Gff =)()(SGSGPCPD-(2.4-3)满⾜(1-3)式的前馈补偿装置使受控变量θ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cθ和⼲扰作⽤dθ的响应曲线⽅向相反,幅值相同。
所以它们的合成结果,可使θ达到图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,反馈控制系统是做不到的。
这是因为反馈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,本⾝不形成闭合反馈回路,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.前馈控制与反馈控制的⽐较图 2.4-5 反馈控制⽅块图图2.4-6 前馈控制⽅块图由以上反馈控制系统与前馈控制系统⽅块图可知:1)前馈是“开环”,反馈是“闭环”控制系统从图上可以看到,表⾯上,两种控制系统都形成了环路,但反馈控制系统中,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。
前馈控制名词解释前馈控制(Feedforward Control)是一种控制策略,用于提供在系统发生变化之前预测、估计和纠正系统误差的能力。
它是一种预测性的控制方法,通过提前对系统输入进行调整,使系统可以更好地应对外部扰动,并尽量减小系统的误差。
在前馈控制中,控制器根据系统的模型和已知的外部扰动,提前计算并施加必要的控制输入,以抵消这些扰动对系统性能的影响,从而使系统在扰动发生时能够更准确地跟踪或维持所需的输出。
前馈控制的优势在于它可以在系统受到扰动之前就采取行动,从而减小系统误差的程度。
前馈控制通常包括以下几个步骤:1. 模型建立:根据系统的特性和输入输出关系,建立一个数学模型来描述系统的动态行为。
这可以通过物理原理、实验数据拟合或系统辨识等方法来完成。
2. 预测和估计:基于系统模型和已知的外部扰动,预测系统未来的行为并估计可能的误差。
这可以通过根据当前状态和已知扰动进行数学计算得出。
3. 控制计算:根据预测和估计的结果,计算出应施加的控制输入,以抵消可能的误差。
这可以通过根据系统模型和控制目标进行优化计算来实现。
4. 控制输入应用:将计算出的控制输入应用到系统中,以实现制定的控制目标。
控制输入可以作用于系统的激励信号、参数调整或开关控制等。
前馈控制在许多领域中都有广泛的应用,如机械控制、电力系统、自动驾驶、飞行器控制等。
它可以提高系统的性能和稳定性,减小系统的误差和响应时间,并降低对反馈控制的依赖性。
但前馈控制也存在一些挑战,如系统模型的准确性、外部扰动的不确定性以及控制器设计的复杂性等。
因此,在实际应用中需要仔细考虑这些因素,并进行系统的实时监测和校正,以确保前馈控制的有效性和稳定性。
过程控制系统试卷C卷一、填空题(每空1.5分)(本题33分)1、过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程和测量变送等环组成。
2、过程控制系统由工程仪表和被控过程两部分组成。
3、压力检测的类型有三种,分别为:弹性式压力检测、应变式压力检测、压阻式压力检测。
4、气动执行结构主要有薄膜式和活塞式两大类。
5、根据使用的能源不同,调节阀可分为气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀三大类。
6、过程数学模型的求取方法一般有机理建模、试验建模和混合建模。
7、积分作用的优点是可消除稳态误差(余差),但引入积分作用会使系统稳定性下降。
8、在工业生产中常见的比值控制系统可分为单闭环比值控制、双闭环比值控制和变比值控制三种。
9、造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分控制作用,外因是控制器长期存在偏差。
二、名词解释题(每小题5分)(本题15分)1、过程控制:指根据工业生产过程的特点,采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具,应用控制理论,设计工业生产过程控制系统,实现工业生产过程自动化。
2、串级控制系统:值采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的设定值,由副控制器的输入去操纵调节阀,从而对住被控变量具有更好的控制效果。
3、现场总线:是指将现场设备与工业控制单元、现场操作站等互联而成的计算机网络,具有全数字化、分散、双向传输和多分枝的特点,是工业控制网络向现场级发展的产物。
三、简答题(每小题8分)(本题32分)1、什么是PID,它有哪三个参数,各有什么作用?怎样控制?答: PID是比例-积分-微分的简称。
其三个参数及作用分别为:(1)比例参数KC,作用是加快调节,减小稳态误差。
(2)积分参数Ki,作用是减小稳态误差,提高无差度(3)微分参数Kd,作用是能遇见偏差变化趋势,产生超前控制作用,减少超调量,减少调节时间。
2、前馈与反馈的区别有哪些?答:(1)控制依据:反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”,前馈控制是“基于扰动消除扰动对被控量的影响”。