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自動化控制兩種類型:前饋控制和反饋控制

2019年11月21日 18:18:27 中國傳動網

傳統的反饋控制很像倒著跑的跑步者。如果不看前方的賽道,倒跑的跑步者必須完全依靠后方的視野來確定前進的位置。向后看時,跑步者只能通過在邊緣線越來越近時調整左右位置來保持在賽道上。如果跑步者走得太快,在應用程序進行修正之前,跑步很容易就跑出界(見圖1)。

自動化 

圖1:向后直行。就像只有反饋的控制器一樣,面向后面的跑步者只能看到過去的位置,但這通常足以保持在正常的賽道。即使沒有向前看,也很容易觀察到賽道中心附近并補償向左或向右的任何緩慢漂移。

如果緩慢漂移是唯一的干擾,則純反饋控制器很容易將過程變量保持在恒定設定點附近。過程變量的歷史測量通常告訴控制器,當控制問題變得容易的時候它所需要了解的信息。圖片來源:CE

工業反饋控制器面臨同樣的挑戰。為了使受控過程保持所需的溫度、壓力、流速等,反饋控制器必須等待并監視工作情況,然后糾正錯誤并再次查看。這通常不是隨機的試錯法。即使控制器對過程行為有足夠的了解,以對必要的修正做出有根據的猜測,但這些修正必須始終在事后進行。

因此,與面向后方的跑步者一樣,反饋控制器必須謹慎行事,以避免過度糾正過去的錯誤。在設計控制器時,如果對過程行為的知識了解不準確或不完整更是如此。如果控制器無法預測其當前控制工作對未來的影響,那么它幾乎沒有選擇,只能在較長的時間間隔內保守行動,而不是在較短的時間間隔內積極行動(見圖2)。

自動化控制 

圖2:圍繞曲線向后運行更具挑戰性。當跑步者注意到曲線已經使賽道的中心遠離跑步者的路徑時,跑步者已經偏離了賽道。在圖中顯示的情況下,跑步者在試圖補償干擾的同時,向左走得太遠,然后又向右走得太遠。

跑者的速度過快,會導致來回持續過補償,直到干擾在曲線末端結束為止。如果反饋控制器的設計太強或者受控過程對控制器的控制活動過于敏感,則它將表現出類似的振蕩行為。在最壞的情況下,即使干擾結束也無濟于事。控制器可能會繼續在完全打開和完全關閉之間振蕩,因為它會一次又一次地繼續過度補償。

向前看,而不是向后看

跑步者所面臨的困境,明顯的解決方案是在跑步期間向前看,而不是向后看。憑借對未來曲線的先見知識,面向前方的跑步者將能夠進行更加明智的路程修正,并且能夠更快地跑步。

一個敏銳的跑步者也可以低頭看賽道,并在看到即將到來的曲線時采取先發制人的行動以保持在賽道中間。跑步者可以在需要時開始向左轉,如圖3所示的“跑步前進”圖形所示。

控制器 

圖3:直接向前跑是最容易的。通過前方軌道的視圖,即使以最高速度沖刺,跑步者也幾乎可以即時補償任何向左或向右的緩慢漂移。以同樣的方式,應用于具有有限的、可測量的干擾過程的前饋控制器,可以更容易地使過程變量保持接近設定點。

圍繞曲線前進并不是那么困難。跑步者可以直觀地測量任何即將發生的干擾(曲線),預測對未來軌跡的影響,并根據需要而不是事后進行修正。超前的知識使得面向前方的跑步者,能夠比面向后面的跑步者更快并以更小的誤差圍繞曲線運動。

超前的知識也使前饋控制器更準確。如果控制器能夠正確預測干擾將如何影響過程變量以及如何對其進行補償,則控制器可以更自信地承擔更多的控制工作。這樣做可以減少即將發生的干擾的影響,就像跑步者在預測即將到來的曲線時可以保持在賽道中心一樣。

配置了能夠測量即將發生干擾的前兆傳感器的過程控制器,可以更快地、更超前的運行。無需等待過去控制工作的結果反應在測量中來進行控制活動。傳感器和控制器協同工作,以觀察即將到來的干擾并向前提供信息,以幫助計算未來的控制工作。

前饋控制的優勢

前饋控制的經典應用是蒸汽分配系統,例如中央鍋爐以恒定壓力向整個工廠中的各種設備提供蒸汽。當閑置機器上線并開始從鍋爐抽取蒸汽時,壓力控制器可以預先加熱并向鍋爐注入額外的水,前提是系統可以確定機器需要多少蒸汽。

如果控制器嚴格依賴反饋,則必須等到鍋爐中的壓力已經下降,然后再嘗試補償額外負載。如果它可以預測即將發生的干擾,壓力控制器將能夠主動防止壓降,而反饋控制器在采取行動之前則需要測量到該壓降。

有效前饋控制的技巧是測量即將發生的干擾指標,并準確預測它們對過程變量產生的影響。向前的跑步者幾乎不需要考慮前方有曲線時應該做什么,但前饋壓力控制器必須做出不太明顯的決定。它不僅需要知道特定機器即將上線的時間,還需要了解它將要抽取多少蒸汽,以及特定抽取方式隨著時間的推移對鍋爐壓力的影響。

這些預測通常借助于數學模型來進行,該模型顯示過程如何響應可測量的干擾。這些模型可以像查表一樣簡單,該表包含早期測量中干擾的影響,也可以像基于第一原理分析或經驗觀察的多變量微分方程一樣復雜。隨著技術的發展,未來在線學習算法和其它形式的人工智能,將可以幫助創建或改進數學模型。

反饋與前饋的完美搭配

由于沒有模型可以100%精確,并且其它不可測量的干擾也可能影響過程變量,所以前饋控制器幾乎總是與反饋控制器組合。前饋控制器對補償即將到來的干擾所需的控制工作做出了最佳猜測,而反饋控制器則彌補了它的不足。反饋控制器測量干擾的凈效果,然后前饋控制工作并努力補償過程變量中的任何偏差(前饋控制器無法避免的)。

在有些應用中,前饋控制器可能難以實施。當過程的行為未被充分理解、干擾變量難以測量,或者干擾變量太多時,前饋控制器的設計將具有挑戰性。設計不完善的前饋控制器有時會放大干擾的影響,使反饋控制器的工作更加困難。

減少能量和磨損

如果干擾頻繁或太大,以至于單獨的反饋控制器無法達到目的,則前饋控制器的加入就非常值得。成功的前饋控制器,可以將主要干擾的影響減少過程變量中的峰值。如果這樣做也消除了反饋控制器的振蕩行為,則組合的前饋/反饋控制器將減少移動,從而可以使用更少的能量。較少的控制移動,還減少了用于過程控制中執行器的磨損。 

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供稿:控制工程網 ChrisVavra

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