Process Control & Instrumentation Technology
主要内容
前馈控制结构、特点、设计原理
前馈控制系统的结构形式
前馈 -反馈复合控制系统
前馈控制的设计原则
时间滞后控制系统：改进的常规控制系统、
Smith预估补偿方案、采样控制方案
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制结构
Wm(s),前馈控制器；
Wo(s):过程控制通道传递函数；
Wf(s):过程扰动通道传递函数。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈与反馈控制特点比较
反馈控制的特点,
基于偏差来消除偏差；
,不及时,的控制 ；
存在稳定性问题 ；
对各种扰动均有校正作用；
控制规律通常是 P,PI,PD或 PID等典型规律 。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈与反馈控制特点比较
前馈控制的特点,
基于扰动来消除扰动对被控量的影响；
动作,及时,；
只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；
具有指定性补偿的局限性；
控制规律取决于被控对象的特性。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制器设计原理
不变性原理是实现前馈控制的理论基础。
,不变性,是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈模型
由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：
因实现了完全补偿，达到了被控量不受扰动影响的控制效果。
前馈模型的结构有时比较复杂，甚至难以实现。
)(
)()(
sW
sWsW
o
f
M
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制系统的几种结构形式
静态前馈控制系统：
控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。
动态前馈控制系统：
动态前馈的实现基于不变性原理；
动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，
但结构往往比较复杂；
需要专门的控制装置，系统运行、整定也比较复杂；
只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难以满足、且存在一个,可测不可控,的主要扰动时，才考虑使用动态前馈方案。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制的局限性
前馈控制属于开环控制方式 ；
完全补偿难以满足，因为：
要准确掌握过程扰动通道特性 Wf（ s）及控制通道特性 Wo（ s）是不容易的；
即使前馈模型 Wm（ s）能准确求出，有时工程上也难以实现；
对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈 -反馈复合控制系统
将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点，
又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；
降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制的设计原则
实现前馈控制的必要条件是扰动量的,可测及不可控性,,
,可测,,指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
,不可控,,指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。
扰动量变化频繁且幅值较大 ；
通常选用静态前馈 -反馈控制方案即可得到满意的控制效果。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制设计举例
在二段磨矿生产过程中，球磨机内的浓度与二段分级返砂量有关，而二段分级机返砂量受细度控制影响很大。这是因为，二次分级溢流细度作为重要生产指标必须严格控制，而控制细度的方法是往分级机内添加二次溢流补加水：
当细度变粗时，加大给水量，加速分级机内矿砂沉淀，较粗的矿砂返回二段球磨，只有较细的矿砂才会溢出；反之则减小给水量保证细度相对稳定。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制设计举例
在生产中，由于控制细度的二次溢流补加水量变化较大，会导致分级返砂量变化也很大，从而使二段球磨机浓度难以稳定。
若仅以浓度值进行反馈控制，调节过程中有时会出现不能允许的动态偏差。针对这种变化频繁且幅度较大的扰动，决定引入前馈控制。
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Process Control & Instrumentation Technology
时间滞后控制系统
时间滞后是纯滞后与容量滞后的总称。
纯滞后：往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的；
容量滞后：往往是由于对象中包含多个容积所引起的。
Process Control & Instrumentation Technology
时间滞后控制系统
过程扰动通道中的纯滞后对闭环系统的动态性能没有影响；
过程控制通道或测量变送元件上的纯滞后，将影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。
τ /T≥ 0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，常用控制方法：
改进的常规控制方案；
预估补偿方案；
采样控制方案。
Process Control & Instrumentation Technology
改进的常规控制系统
微分先行控制方案可以有效地改善容量滞后工艺过程的控制质量。
在给定值频繁变化时，微分先行方案的控制品质优于常规 PID控制方案，尤其在减小超调量方面效果更佳。
Process Control & Instrumentation Technology
Smith预估补偿方案
预先估计出被控过程动态模型；
然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，力图将被延迟了时间 τ 的被控量提前送入调节器。
调节器能提前动作，通过补偿装置理论上可消除纯滞后特性在闭环中的影响。
Process Control & Instrumentation Technology
Smith预估补偿方案
引入 Smith预估补偿器的目的是使调节器 Wc（ s）
所控制的等效对象中能消除纯滞后部分,即：
Wo（ s） e-τ s+ Ws（ s） = Wo（ s）
Process Control & Instrumentation Technology
采样控制方案
“调一下，等一等,的办法；
当调节器输出达一定时间后，就不再使增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间与纯滞后时间 τ 0相等或再稍长些），
直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；
根据偏差的大小再决定下一步的控制动作。
Process Control & Instrumentation Technology
采样控制方案
核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。
无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后对控制带来的不利影响。
注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈及采样控制设计举例
矿石由从地下提升到主井，经多台电振给料机振动下料后，送往中碎车间的矿石破碎机进行第一次破碎。破碎后的矿石经 3A
皮带运输进行筛分处理。较细的矿石送往筛洗车间进行进一步加工，而较粗的矿石则进行第二次破碎，出料再返回 3A皮带，
再进行一次筛分循环。另外,3A皮带还担负着从 1#主井来的较粗矿石的输送任务。
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Process Control & Instrumentation Technology
前馈及采样控制设计举例
在 3A皮带接受的三路物料中，来自 1#主井的较粗矿石不便于控制。这是因为在此物料流程中无缓冲矿仓，属于,可测不可控,
的干扰，故决定采用前馈控制来加以克服。
物料从电振给料机下料到达 3A皮带，存在较大的纯滞后，决定采用采样控制方案。
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前馈及采样控制设计举例
主要内容
前馈控制结构、特点、设计原理
前馈控制系统的结构形式
前馈 -反馈复合控制系统
前馈控制的设计原则
时间滞后控制系统：改进的常规控制系统、
Smith预估补偿方案、采样控制方案
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制结构
Wm(s),前馈控制器；
Wo(s):过程控制通道传递函数；
Wf(s):过程扰动通道传递函数。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈与反馈控制特点比较
反馈控制的特点,
基于偏差来消除偏差；
,不及时,的控制 ；
存在稳定性问题 ；
对各种扰动均有校正作用；
控制规律通常是 P,PI,PD或 PID等典型规律 。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈与反馈控制特点比较
前馈控制的特点,
基于扰动来消除扰动对被控量的影响；
动作,及时,；
只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定；
具有指定性补偿的局限性；
控制规律取决于被控对象的特性。
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前馈控制器设计原理
不变性原理是实现前馈控制的理论基础。
,不变性,是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈模型
由不变性原理决定的动态前馈控制器，是由被过程扰动通道与控制通道特性之比决定的，即：
因实现了完全补偿，达到了被控量不受扰动影响的控制效果。
前馈模型的结构有时比较复杂，甚至难以实现。
)(
)()(
sW
sWsW
o
f
M
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制系统的几种结构形式
静态前馈控制系统：
控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。
动态前馈控制系统：
动态前馈的实现基于不变性原理；
动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，
但结构往往比较复杂；
需要专门的控制装置，系统运行、整定也比较复杂；
只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难以满足、且存在一个,可测不可控,的主要扰动时，才考虑使用动态前馈方案。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制的局限性
前馈控制属于开环控制方式 ；
完全补偿难以满足，因为：
要准确掌握过程扰动通道特性 Wf（ s）及控制通道特性 Wo（ s）是不容易的；
即使前馈模型 Wm（ s）能准确求出，有时工程上也难以实现；
对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈 -反馈复合控制系统
将前馈和反馈结合起来，既发挥了前馈作用及时克服主要扰动对被控量影响的优点，
又保持了反馈控制能克服多个扰动影响的长处；
降低了系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制的设计原则
实现前馈控制的必要条件是扰动量的,可测及不可控性,,
,可测,,指扰动量可以通过测量变送器，在线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
,不可控,,指这些扰动量难以或不允许通过专门的控制回路予以控制，如生产中的负荷。
扰动量变化频繁且幅值较大 ；
通常选用静态前馈 -反馈控制方案即可得到满意的控制效果。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制设计举例
在二段磨矿生产过程中，球磨机内的浓度与二段分级返砂量有关，而二段分级机返砂量受细度控制影响很大。这是因为，二次分级溢流细度作为重要生产指标必须严格控制，而控制细度的方法是往分级机内添加二次溢流补加水：
当细度变粗时，加大给水量，加速分级机内矿砂沉淀，较粗的矿砂返回二段球磨，只有较细的矿砂才会溢出；反之则减小给水量保证细度相对稳定。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈控制设计举例
在生产中，由于控制细度的二次溢流补加水量变化较大，会导致分级返砂量变化也很大，从而使二段球磨机浓度难以稳定。
若仅以浓度值进行反馈控制，调节过程中有时会出现不能允许的动态偏差。针对这种变化频繁且幅度较大的扰动，决定引入前馈控制。
Process Control & Instrumentation Technology
Process Control & Instrumentation Technology
Process Control & Instrumentation Technology
时间滞后控制系统
时间滞后是纯滞后与容量滞后的总称。
纯滞后：往往是由于物料或能量需要经过一个传输过程而形成的；
容量滞后：往往是由于对象中包含多个容积所引起的。
Process Control & Instrumentation Technology
时间滞后控制系统
过程扰动通道中的纯滞后对闭环系统的动态性能没有影响；
过程控制通道或测量变送元件上的纯滞后，将影响系统动态性能，引起闭环控制系统稳定性明显降低，过渡过程时间加长。
τ /T≥ 0.3时，就被认为是具有较大纯滞后的工艺过程，常用控制方法：
改进的常规控制方案；
预估补偿方案；
采样控制方案。
Process Control & Instrumentation Technology
改进的常规控制系统
微分先行控制方案可以有效地改善容量滞后工艺过程的控制质量。
在给定值频繁变化时，微分先行方案的控制品质优于常规 PID控制方案，尤其在减小超调量方面效果更佳。
Process Control & Instrumentation Technology
Smith预估补偿方案
预先估计出被控过程动态模型；
然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后特性进行补偿，力图将被延迟了时间 τ 的被控量提前送入调节器。
调节器能提前动作，通过补偿装置理论上可消除纯滞后特性在闭环中的影响。
Process Control & Instrumentation Technology
Smith预估补偿方案
引入 Smith预估补偿器的目的是使调节器 Wc（ s）
所控制的等效对象中能消除纯滞后部分,即：
Wo（ s） e-τ s+ Ws（ s） = Wo（ s）
Process Control & Instrumentation Technology
采样控制方案
“调一下，等一等,的办法；
当调节器输出达一定时间后，就不再使增加（或减小）了，而是保持此值（保持的时间与纯滞后时间 τ 0相等或再稍长些），
直到控制作用的效果在被控量变化中反映出来为止；
根据偏差的大小再决定下一步的控制动作。
Process Control & Instrumentation Technology
采样控制方案
核心思想是避免调节器进行不必要的误操作，而宁愿让控制作用弱一些。
无需掌握精确的过程动态特性，就能克服被控过程中纯滞后对控制带来的不利影响。
注意采样周期的选取应略大于过程的纯滞后时间。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈及采样控制设计举例
矿石由从地下提升到主井，经多台电振给料机振动下料后，送往中碎车间的矿石破碎机进行第一次破碎。破碎后的矿石经 3A
皮带运输进行筛分处理。较细的矿石送往筛洗车间进行进一步加工，而较粗的矿石则进行第二次破碎，出料再返回 3A皮带，
再进行一次筛分循环。另外,3A皮带还担负着从 1#主井来的较粗矿石的输送任务。
Process Control & Instrumentation Technology
Process Control & Instrumentation Technology
前馈及采样控制设计举例
在 3A皮带接受的三路物料中，来自 1#主井的较粗矿石不便于控制。这是因为在此物料流程中无缓冲矿仓，属于,可测不可控,
的干扰，故决定采用前馈控制来加以克服。
物料从电振给料机下料到达 3A皮带，存在较大的纯滞后，决定采用采样控制方案。
Process Control & Instrumentation Technology
前馈及采样控制设计举例
