输出端顺馈控制与顺馈补偿控制系统

本发明涉及一种新的自动控制形式—输出端顺馈控制与顺馈补偿控制系 统，属于自动控制系统方面突破性的创新技术。

在现有的反馈控制系统中，把测量到的全部扰动信息反馈到被控对象的输 入端，再通过补偿和校正环节(即调节器)进行控制，故属于输入端控制方式。 而输出端顺馈控制与输入端反馈控制正好相反，是把测量到的全部扰动信息向 后顺馈到“输出加减器”的一个输入端(补偿通道)，构成顺馈补偿控制系统。 如附图1所示。“输出加减器”是人为加入到被控对象输出端的一个已知的被 控物理量加减器，它的另一个输入端连接到被控对象的输出端(主通道)，它 的输出就是系统最终输出变量y(t)。

本发明的目的是提供一种输出端顺馈控制与顺馈补偿控制系统，不但控制 系统结构简单，不会振荡，无需解耦控制和多变量的复杂系统，而且控制精度 高，操作调试简单，无需知道被控对象的特性和数学模型。

本发明的实现的方式如原理方框图附图1所示。包括有未知的被控对象 (1)、检测变送器(2)、参考输入(给定)装置(3)、信号比较器(4)、主通道引 入环节(5)(可有可无)、补偿通道补偿环节(6)(可以包含比例放大器K、执 行器k及其它环节)、输出加减器(7)等。输出端顺馈控制系统的一般化原理图 如附图2所示。

G(s)e-τs为被控对象具有纯滞后时间τ的传递函数，GA(s)、GB(s)为引入环节 和补偿环节的传递函数，kf为检测变送器的信号转换系数，所有变量皆为频域 变量，其中R(s)为参考输入(给定)变量，Y(s)为最终输出变量，Y1(s)为中 间变量，即被控对象的输出变量，F(s)为等效全扰动变量，即被控对象上全部 内外扰动的等效扰动。不难导出：

    Y(s)＝[GA(s)-kfGB(s)]Y1(s)+GB(s)R(s)                       (1)

由于我们选取的输出加减器和人为引入的补偿环节都是最简单的线性比 例环节，且以后可以看出这是不难作到的。因此有GA(s)＝KA，GB(s)＝KB皆为恒 量，从而所有变量都可改用时域变量。这样式(1)可以简化为代数方程式：

        y(t)＝(KA-kfKB)y1(t)+KBr(t)                            (2)

如果令  KB＝KA/kf(完全补偿条件)                                  (3)

则      y(t)＝KBr(t)(跟踪公式)                                     (4)

由此可见：如果图2的输出端顺馈控制系统的设计满足式(3)的完全补 偿条件时，则从式(4)可知，系统的输出变量y(t)仅精确地跟踪系统的参考 输入(给定)变量r(t)而变化，完全不再受包含着内外全部扰动f(t)的中间 变量y1(t)波动的任何影响。即不但达到了完全补偿的“理想控制”，实现了所 谓的“绝对不变性”，而且也完全摆脱了被控对象的复杂特性和作用于其上的 一切内部扰动和外部干扰f(t)，即使是“黑色对象”也无关紧要。也就是说， 输出端顺馈控制系统可以对“黑色对象”进行完全补偿的“理想控制”，实现 了人们幻想已久的“绝对不变性”，这确是前所未有的、突破性的。

本发明有下列优点：

(1)、控制系统设计简单，无需知道被控对象的特性和数学模型，避免 了复杂对象的大纯滞后、大惯性、多外扰、变量耦合等对控制极其不利的因素。 并且无需PID调节器和复杂的数学计算；

(2)因是开环系统，故无需稳定性分析，根本不会振荡；

(3)不存在多变量系统的问题，故无需解耦控制和多变量控制的复杂系 统；

(4)、控制精度可以充分高，只要输入变量的检测精度足够高，甚至可 以达到完全补偿的“理想控制”，实现所谓的“绝对不变性”；

(5)、操作调试简单容易，无需参数辩识和PID参数的反复整定。

输出端顺馈控制系统可以很容易地应用于工业生产过程中很多工艺过程 参数的自动控制，如造纸生产过程中成纸定量、水分的高精度即时控制、化工、 电力、冶金生产过程中温度、压力、流量、液位、浓度等的控制。也可应用于 各生产线，自动线的高精度协调和自动稳速传动，如大型造纸机的分部传动， 灌装机、塑料薄膜机、甚至轧钢机的传动等等。下面结合实施例详细说明本发 明的具体应用情况。

附图1为本发明的原理方框图；

附图2为本发明的一般化控制系统原理图；

附图3为本发明的流量控制系统原理图；

附图4为本发明的液位控制系统原理图；

附图5为本发明的压差(或压强)控制系统原理图；

附图6为本发明的温度控制系统原理图；

附图7为本发明的浓度控制系统原理图；

附图8为本发明的湿度控制系统原理图；

附图9为本发明的转速控制系统原理图。

一、实施例1：流量顺馈补偿控制系统

流量控制是本发明最简单、最基本的应用实例，这是因为流量加减器是最 简单的输出加减器。只要把流量Q1与流量Q2的两流体合流在一起即可实现其 相加；而把流量Q2的流体从流量Q1的流体中分流出来即可实现相减，因为合 流和分流时Q2的流动方向相反，故可设合流时Q2＞0，分流时Q2＜0，故可以 把流量加减统一表示为：

Q＝Q1+Q2，Q2＞0时相加，Q2＜0时相减                     (5)

故可以说流量加减器是一个最简单、较理想的输出加减器。

因为工业生产过程控制中常见的其它被控变量，如液位H、压差(或压强) Δp(或p)、温度t、浓度C、湿度x以及成分，PH值等的顺馈补偿控制方案 都可藉助于流量控制间接地实现，所以说流量控制又是最基本的顺馈补偿控 制。

在附图3中，kq为流量检测变送器的“流量/信号”转换系数，rq为参考 输入(流量给定)信号，e为误差信号，K为比例放大系数，k为控制阀门(执 行器)在选定的ΔP1＝ΔPm时的“信号/流量”转换系数。kg和k都必须为恒量， 否则需进行非线性校正或使K.k＝1/kq为恒量亦可。可以看出：

因Q2＝Kke＝Kk(rq-kqQ1)，e＝rq-kq Q1                     (6)

故Q1＝Q1+Q2＝Q1+Kk(rq-kqQ1)＝(1-Kkkq)Q1+Kkrq        (7)

令 $\mathrm{Kk}=\frac{1}{\mathrm{kq}}$ (完全补偿条件)                                     (8)

则 $Q=\mathrm{Kkrq}=\frac{1}{\mathrm{kq}}\mathrm{rq}$ (跟踪公式)                                   (9)

由此可见：如果附图3所示的流量顺馈补偿控制系统的设计满足式(8) 的完全补偿条件时，则从式(9)可知，系统的输出流量Q仅跟踪系统参考输 入(流量给定)值rq而变化，完全不再受中间变量Q1扰动的影响。

必须特别指出，控制阀门(执行器k)前后的流体压差Δp1可视为流量加 减器中所存在的外界扰动，Δp1的变化会对流量Q2产生干扰。如果p2基本恒 定时，可以采用恒压或恒液位供液的简单方法使p1恒定，以消除p1对Q2的 干扰。对于p2变化较大或需要高精度的流量控制时，可以采用类似前馈补偿 的流量顺馈补偿控制抗干扰方案，如附图3a所示。可以看出，除外扰Δp1以 外，流量加减器中再也没有其它内外扰动。

因为式(6)是在Δp1＝Δpm，恒定不变时流量Q2k的控制计算式，但在 Δp1变化的情况下，Q2k不但与误差e＝rq-kqQ1有关，而且还应与 有关系。 为使Δp1不对Q2造成影响，可把式(6)修改为：

$V_k=\mathrm{Ke}\sqrt{\frac{\mathrm{\Delta pm}}{\mathrm{\Delta p}1}}=K(\mathrm{rq}-\mathrm{kq}{Q}_1)\sqrt{\frac{\mathrm{\Delta pm}}{\mathrm{\Delta p}1}},\Delta p_1>0---\left(6a\right)$

$Q_{2k}=V_{\mathrm{kk}}=K(\mathrm{rq}-\mathrm{kq}{Q}_1)\sqrt{\frac{\mathrm{\Delta pm}}{\mathrm{\Delta p}1}}k$ (控制计算流量)           (6b)

式中：Δpm为Δp1的中间(平均)值，Vk为阀门(k)的输入控制信号。

因Δp1≠Δpm时，应有流量Q2与 成正比例，故

实际流量： $Q_2=Q_{2}K\sqrt{\frac{\mathrm{\Delta P}1}{\mathrm{\Delta Pm}}}=K(\mathrm{rq}-\mathrm{kq}{Q}_1)k---\left(6c\right)$

与上面的式(6)完全相同。因采用附图3a的抗干扰控制方案，虽然改变了 Vk和Q2k，但实际流量Q2并未改变。这是因为流量Q2因Δp1的改变，必须用 阀门开度(Vk)的改变去补偿。因此上述式(6)～式(9)也都仍然成立。可 以看出：Vk和Q2K的改变正好抵消了Δp1变化对流量Q2的干扰，从而使实际 流量Q2不再受外扰Δp1的影响。如果采用微型计算机直接数字控制时，此抗 干扰的流量顺馈补偿控制方案的控制算法如下：

(1)由已知的kq、k值用式(8)算出 $K=\frac{1}{\mathrm{kkq}}$ 值；

(2)由检测值：kqQ1、kpΔp1和流量给定值rq，用式(6a)算出VK值；

(3)将算出的VK数字值通过数/模转换后送去控制阀门并控制其开度大小， 使阀门输出流量Q2＝Kek。

以上因k与Δp1有关，故k必须是在Δp1＝Δpm时的“信号/流量”转换系 数。

因误差e＝rq-kqQ1，故可把流量控制按e或rq分区如下：

(1)当rq＝0时：e＝-kqQ1，Q2＝-Q1＜0(全分流，为负流量)，Q＝Q1+Q2＝0；

(2)当rq＜kqQ1时：e＜0，Q2＜0(部分分流，为负流量)，Q＝Q1+Q2＜Q1 (相减工作区)；

(3)当rq＝kqQ1时：e＝0，Q2＝0(为零流量)，Q＝Q1+Q2＝Q1(工作区分界)；

(4)当rq＞kqQ1时：e＞0，Q2＞0(部分合流，为正流量)，Q＝Q1+Q2＞Q1(相 加工作区)；

(5)当rq＝2kqQ1时：e＝kq Q1，Q2＝Q1(等合流，为正流量)，Q＝Q1+Q2＝2Q1。

上述生产过程变量顺馈控制系统绝大多数都是在相加工作区运行，相减工 作区难于应用，但此流量控制是例外。

将式(7)与式(2)对照，可以看出：

y(t)＝Q，y1(t)＝Q1，y2(t)＝Q2，r(t)＝rq              (10)

KB＝Kk，KA＝1，kf＝kq                                   (11)

由此流量控制可以看出，输出端顺馈控制是多么简单而有效。但必须指出， 上述式(8)和式(9)是在理想情况情况下的结果。实际情况下有些环节并不 理想，如检测变送器的测量精度有时并不很高，从而限制了控制精度的提高。 当然，K、k、kq的线性度也都对完全补偿条件和跟踪精度有直接影响。对DDC 系统，使K.k＝1/kq保持恒值是一个好办法。

二、实施例2：液位顺馈补偿控制系统

液位控制可以用流量控制来实现，如附图4所示。容器上加入的液体流量 Q为附图3流量控制系统的输出流量，容器下方排出的流量QH与液位H的关 系为 $Q_H={\beta }_H\sqrt{H},$ βH为流量系数，可用实验确定                   (12)

当加入的流量Q与排出的流量QH相等时，容器内的液位H就可以保持恒 定，故有 $\mathrm{Kkrq}=Q=Q_H={\beta }_H\sqrt{H},$ 即： $H={\left(\frac{\mathrm{Kk}}{\mathrm{\beta H}}\mathrm{rq}\right)}^2---\left(13\right)$

可以看出：液位H不但跟踪r2q而变化，而且还与βH2成反比。流量系数βH2 的大小与排流管路(包括阀门)的截面积及流体阻力有关，关系复杂必须藉助 于实验方法确定其数值。

三、实施例3：压差(或压强)顺馈补偿控制系统

压差(或压强)控制也可以用气体的流量控制来实现。如附图5所示。

因流量控制可以得出： $Q_1+Q_2=Q=\mathrm{Kkrq},$ Q2＜0，而从泄流管排出的气体 流量为 $Q_P={\beta }_P\sqrt{\mathrm{\Delta p}},$ Δp＝p-p0  βP为流量系数，可用实验确定        (14) 当 $\mathrm{Kkrq}=Q=Q_P={\beta }_P\sqrt{\mathrm{\Delta p}}$ 时，则压差 $\mathrm{\Delta p}={\left(\frac{\mathrm{Kk}}{{\beta }_p}\mathrm{rq}\right)}^2,r_q<\mathrm{kq}{Q}_1---\left(15\right)$ 结果与液位控制情况类似。

因气体的体积流量与压力，温度有关，故采用重量流量计算更为合理。

四、实施例4：温度顺馈补偿控制系统

温度控制可以用特殊的流量控制来实现，如附图6所示。所谓特殊的流量 控制就是把流量参考输入(给定)变量rq乘以Q1t1+Q2t2并作为新的流量给 定变量rq(Q1t1+Q2t2)，再进行的流量控制。因Q1t1+Q2t2＝Qt为绝热情况下 的热流量衡算式，故Q1t1+Q2t2表示输入总热流量的大小。可以看出：

Q2＝Kk[rq(Q1t1+Q2t2)-kqQ1]≥0(在相加工作区)                               (16)

Q＝Q1+Q2＝Q1+Kk[rq(Q1t1+Q2t2)-kqQ1]＝(1-Kkkq)Q1+Kkrq(Q1t1+Q2t2)  (17)

令 $K=\frac{1}{\mathrm{kkq}}$ (完全补偿条件)                                 (18)

则Q＝Kkrq(Q1t1+Q2t2)＝KkrqQt，故得

$t=\frac{1}{\mathrm{Kkrq}},$ $r_q\ge \frac{\mathrm{kq}{Q}_1}{Q_1{t}_1+Q_2{t}_2}$ (跟踪公式)                          (19)

由此可见：在与外界绝热的条件下，如果系统设计满足式(18)的完全补 偿条件时，则系统的最终输出温度t仅跟踪系统参考输入(流量给定)变量的 倒数 而变化，完全不再受输入变量Q1、t1、Q2、t2变化的影响。但可以看 出具有以下缺陷：

(1)在测温点与流体合流点之间的距离应尽可能缩短，并包上绝热层；

(2)需检测4个输入变量，并需增加运算，显得比较繁琐。

五、实施例5：浓度顺馈补偿控制系统

浓度控制可用与上述温度控制完全类似的方案来完成，但也有需检测4个 输入变量Q1、C1、Q2、C2的缺点，故不再详述。这里采用一个只需检测两个 输入变量Q1、C1的简化控制方案。因为此方案是用稀释法，故有输出浓度C ≤C1(输入浓度)的限制。只要把溶液流量Q2改为纯溶剂流量Q。即可，如 附图7所示。可以看出：

Q0＝Kk[rqQ1C1-kqQ1]≥0(在相加工作区)                              (20)

Q＝Q1+Q0＝Q1+Kk[rqQ1C1-kqQ1]＝(1-Kkkq)Q1+KkrqQ1C1        (21)

令 $K=\frac{1}{\mathrm{kkq}}$ (完全补偿条件)                           (22)

则Q＝KkrqQ1C1， $r_q>\frac{\mathrm{kq}}{C1}$ (流量跟踪公式)          (23)

因QC＝Q1C1(溶质流量不变，因Q0为纯溶剂，不含溶质)

故有 $C=\frac{Q_1{C}_1}{Q}=\frac{1}{\mathrm{Kk}{r}_q},r_q>\frac{k_q}{C_1}$ (浓度跟踪公式)             (24)

由此可见：如果系统设计满足式(22)的完全补偿条件时，则从式(24) 可以看出，系统的输出浓度C仅跟踪流量参考输入(给定)变量的倒数 而 变化，完全不再受输入变量Q1、C1变化的影响。但也可以从式(23)看出， 输出流量Q不仅跟随rq而变化，而且还随输入溶质流量Q1C1的变化而变化。 也就是说，如果流量给定值rq恒定时，输出浓度C就会恒定，但输出流量Q 并不恒定，这是因为控制的目的是浓度C，而不是流量Q，故自然有此结果。

六实施例6：湿度顺馈补偿控制系统

湿度控制也可用与浓度控制类似的方法实现，如附图8所示。因是采用喷 雾增湿法控制湿度x，故有输出湿度x≥x1(输入温度)的限制。被控制的湿 物料可以是固体湿物料，也可以是气体湿物料(湿气体)。在此以固体湿物料 为例，故物料流量必须采用重量流量W(公斤/秒)。可以看出：

W0＝Kk[rw(1-X1)W1-kwW1]≥0(在相加工作区)                     (25)

W＝W1+W0＝W1+Kk[rw(1-x1)W1-kwW1]＝(1-Kkkw)W1+Kkrw(1-x1)W1    (26)

令 $K=\frac{1}{\mathrm{kkw}}$ (完全补偿条件)                             (27)

则W＝Kkrw(1-x1)W1＝Kkrw(1-x)W，即Kkrw(1-x)＝1

故 $x=1-\frac{1}{\mathrm{Kkrw}}$ $\mathrm{rw}>\frac{\mathrm{kw}}{1-x1}$ (跟踪公式)                  (28)

由此可见：如果系统设计满足式(27)的完全补偿条件时，则从式(28) 可知，最终输出湿度x仅与系统参考输入(流量给定)值rw有关，完全不再 受输入变量W1、x1、W0变化的影响。

以上对常用的生产过程变量或参数的输出端顺馈补偿控制方案进行了较 详细的说明，还有一些不常用的过程变量如成分、PH值等等，也可以实现顺 馈补偿控制，这里不再一一讨论。下面对另一类电气传动物理量(变量)如转速 n、转矩T和功率P的输出端顺馈补偿控制系统进行讨论。只讨论转速n控制 即可，转矩T控制、功率P控制等可以仿照前述的控制方案的实现方法，并藉 助于转速n控制而不难完成。

七、实施例7：转速顺馈补偿控制系统

实现转速n的输出端顺馈补偿控制的关键是能否找到较理想的输出加减 器，即能够实现转速n1与转速n2相加减的转速加减器。这样的转速加减器不 但存在，而且非常理想。早已存在的齿轮差速器就是最好的转速加减器，它不 但简单、无扰，而且其所有的速比都是绝对不变的恒量。

主动力用任何型式的电动机，执行器用微型直流电动机，如附图9所示。 设速比： $i_0=\frac{n_2}{n_0},$ $i_g=\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{ng}},$ $i_w=\frac{\mathrm{ng}}{n_0}$ (自锁式蜗轮蜗杆装置) $i_{\mathrm{ab}}^H=\frac{\mathrm{na}-n_N}{\mathrm{nb}-n_H}$ 为齿 轮差速器在行星架系杆H固定时，太阳齿轮(或中心齿轮)a对内齿轮(或另 一中心齿轮)b的变速比。 $K=\frac{\mathrm{Vk}}{e}$ 为误差信号e的比例放大系数， $k=\frac{\mathrm{nd}}{\mathrm{Vk}}$ 为微型 直流电动机(执行器)的“信号(电压)/转速”转换系数， $k_n=\frac{\mathrm{Vn}}{n_1}$ 为测速装置 的“转速/信号(电压)”转换系数。还有 $i_p=\frac{n_0}{n_p},$ $P_p=\frac{\mathrm{npTp}}{974.4}$ [仟瓦]为制动功率回 收利用的装置，rn为系统参考输入(转速给定)信号(电压)，自锁式蜗轮蜗 杆装置(iw)是用作可控转速制动器，齿轮差速器(iabM)用作转速加减器， 它把中心齿轮a的转速na和另一中心齿轮b的转速nb用公式 $n_H=\frac{n_a-{i_{\mathrm{ab}}^{H}n}_b}{1-i_{\mathrm{ab}}^H}$ 进行加减，转速的“和或差”从行星架系杆H上输出，转速为nH。可以看出： n1＝na为主电动机的转速，n2＝nb为制动功率输出端的转速，n＝nH为系统输出转 速。n0蜗轮转速，ng为蜗杆转速，nd为微型直流电动机的转速，np为制动功 率回收利用装置的转速。T为转矩(公斤-米)，P为功率(仟瓦)。e＝rn-knn1 ≤0为误差信号，nd＝Kke＝Kk(rn-knn1)。可以导出：

$n_2=\frac{i_0}{i_g{i}_w}{n}_d=\frac{i_0}{i_g{i}_w}\mathrm{Kk}(r_n-k_n{n}_1),$ rn≤knn1(在相减工作区)      (29)

故有 $n=\frac{n_1{i}_{\mathrm{ab}}^H{n}_2}{1-i_{\mathrm{ab}}^H}=\frac{(i_g{i}_w+i_0{i}_{\mathrm{ab}}^H\mathrm{Kk}{k}_n)n_1-i_0{i}_{\mathrm{ab}}^H\mathrm{Kk}{r}_n}{i_g{i}_w(1-i_{\mathrm{ab}}^H)}---\left(30\right)$

令 $K=-\frac{i_g{i}_w}{i_0{i}_{\mathrm{ab}}^{H}k{k}_n}$ (完全补偿条件)                                          (31)

则 $n=-\frac{i_0{i}_{\mathrm{ab}}^H\mathrm{Kk}{r}_n}{i_g{i}_w(1-i_{\mathrm{ab}}^H)},$ rn≤knn1(跟踪公式)                      (32)

把式(31)代入式(32)可得到简化式： $n=\frac{r_n}{\mathrm{kn}(1-i_{\mathrm{ab}}^H)},$ rn≤knn1(简化跟踪公式)                  (33)

由此可见，如果系统设计满足式(31)的完全补偿条件时，则从式(32) 或式(33)可知：系统的输出转速n仅跟踪系统的参考输入(转速给定)信号 rn而变化，完全不再受包含着主电动机上所有内部扰动和外部干扰f(t)全部扰 动信息的中间转速n1变化的影响。作为被控对象的主电动机，根本无需知道其 特性或数学模型，也无需知道其上都作用着哪些内部和外部干扰，即它完全可 以是“黑色对象”。即使如此，转速n的顺馈补偿控制系统也可以达到完全补 偿的“理想控制”，实现所谓的“绝对不变性”。当然，如前所述，也必须保证 测速装置的测速精度要足够高和kn、k或Kk保持恒定不变。

将式(30)与式(2)对照，可以得出：

y(t)＝n，y1(t)＝n1，y2(t)＝n2，r(t)＝rn                           (34)

$K_B=-\frac{i_0{i}_{\mathrm{ab}}^H\mathrm{Kk}}{i_g{i}_w(1-i_{\mathrm{ab}}^H)},$ $K_A=\frac{1}{1-i_{\mathrm{ab}}^H},k_f=k_n---\left(35\right)$

转矩T控制、功率P控制等都可以用前述类似的方法，藉助于转速控制间接地 实现，但需要检测转矩T1、T2等。

以上对生产过程变量和电气传动变量的实施方案，足以证明本发明所提 出的“双通道补偿原理”的正确性和所构成的输出端顺馈控制系统的有效性。 如果进一步继续研究，这种比反馈控制更优越的新控制形式一定可以推广应用 到更多更广的控制领域中去，成为一种更为通用的控制形式。