第四部分前馈控制系统
4 单元机组主控制系统-前馈控制应用
前馈控制的应用大中小前述几种协调控制方式采用的都是反馈控制方案，实际上，为了提高控制质量，协调控制方式所采用的控制系统是前馈—反馈控制系统。
采用前馈控制的目的有两个：一是补偿被控对象（主要是锅炉侧）动态特性的迟延和惯性，加快负荷响应；二是使作为前馈信号的负荷指令与机、炉主控制指令（代表对燃烧率、汽轮机调门开度等操作量的要求）构成一定的静态关系，并且将前馈信号作为机、炉主控制指令的基本组成部分，以保证机组的输入能量与能量需求基本一致，在变负荷控制过程中起“粗调”作用。
负荷前馈控制的重点是锅炉侧。
为了补偿锅炉侧的动态迟延和惯性，前馈控制作用中除了比例(P)作用（静态前馈）以外，还包括微分(D)作用（动态前馈），它起超前控制作用，加速锅炉的负荷响应。
对于汽轮机侧，采用前馈控制，主要是要求汽轮机的调门开度或汽轮机负荷与负荷指令保持一致。
因此，通常只采用静态前馈控制，这样，如果一旦单元机组与电网突然解列，可迅速切除负荷指令，使调门立即关小，防止过分超速。
锅炉侧的前馈控制信号来源有两种：一种是负荷指令N0信号；另一种是蒸汽流量信号。
两种信号性质不同，前者为电网对机组的负荷要求；后者为汽轮机对锅炉的负荷要求。
无论哪种信号，都代表了对锅炉的能量要求。
通过前馈控制，锅炉的输入能量与能量要求随时保持平衡。
一、前馈控制信号为负荷指令N0这是一种较常用的前馈控制方案，如图10-16所示。
当负荷指令N0改变时，通过前馈控制器（P）立即改变汽轮机主控指令MT，使汽轮机调门开度（或汽轮机功率）作相应改变。
同时，通过前馈控制器（PD）立即改变锅炉主控指令MB，使燃烧率相应改变。
微分（D）控制作用使燃烧率动态超前动作，加速锅炉的负荷响应。
前馈控制还使MB和MT始终与N0保持一致。
通常，在前馈“粗调”的基础上，反馈控制只需对偏差稍加校正（“细调”），即可使系统趋于稳定。
一定程度上克服了反馈控制需待偏差产生后才发出控制作用的缺点，使负荷控制质量大为提高。
前馈控制系统
前馈控制系统一．前馈控制原理前面讨论的所有控制系统，都属于反馈控制系统，无论其系统结构如何，它们的调节回路的基本工作原理都是一样的。
下面要介绍的前馈控制系统则有着截然不同的控制思想。
前馈控制思想及应用由来已久，但主要是由于技术条件的限制，发展较慢。
随着计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控制正受到更多的重视和应用。
在反馈控制系统中，都是把被控变量测量出来，并与给定值相比较；而在前馈控制系统中，不测量被控变量，而是测量干扰变量，也不与被控变量的给定值进行比较。
这是前馈与反馈的主要区别。
为了系统地说明前馈控制思想，同时也为了在比较中进一步加深对反馈控制思想的理解，画出图8-31进行比较分析。
（a）反馈控制（b）前馈控制图8－31 两种加热炉温度控制系统图8-31中的（a）是反馈控制，（b）是前馈控制。
在前馈控制中，测量需要被加热的原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油流量偏小就减少燃料量，以达到稳定原油出口温度的目的。
从动态过程分析，当原油流量增大时，一段时间后，出口温度会下降。
但前馈测量出原油流量的增加量，迅速增加燃料量。
如果燃料增加的量和时机都很好，有可能在炉膛中将干扰克服，几乎不影响原油出口温度。
如果该加热炉只存在原油流量这一个干扰，那么理论上讲，前馈控制可以把原油出口温度控制得很精确，甚至被控变量一点也不波动。
这就是前馈控制思想，也是前馈控制的生命力所在。
二．前馈控制与反馈控制的比较通常认为，前馈控制有如下几个特点：（l）是“开环”控制系统；（2）对所测干扰反应快，控制及时；（3）采用专用调节器；（4）只能克服系统中所能测量的干扰。
下面从几个方面比较前馈控制与反馈控制。
画出图8-31两个控制系统的方块图如图8-32所示。
（a）反馈控制（b）前馈控制图8-32 两种加热炉温度控制系统方块图l．前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统从图8-32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环路，成为“闭环”控制系统。
前馈控制系统共80页
T
检测变送
检测变送
31
前馈控制的选用与稳定性
实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及 不可控性
（1）可测：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。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独 立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的 传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动 量的大小。
8
（1）可测：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。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独 立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的 传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动 量的大小。
9
前馈控制的局限性 完全补偿难以实现：扰动通道和 控制通道的数学模型很难准确求 出；即使求出，工程上难以实现。 只能克服可测不可控的扰动
1
具有滞后特性，适合 于控制通道滞后小于 干扰通道滞后
1
Kf
t
38
实现办法
G ff
(s)
GPD (s) GPC (s)
-K f
T1s 1 1 T2s 1 1
1 s
2
1 s
2
上式中的各环节可以用 标准仪表（标准模块）
实现；也可以用比值器 、加法器和一阶惯性环
节或一阶微分环节实现 ；也可以用计算机程序
GC (s)
GP (s)
e s
Y (s)
经过预估补偿，闭环传递函数特征方 程消去了es，消去了纯滞后对系统控 制品质的影响，系统品质与无纯滞后 完全相同。至于分子中的es仅仅将控
制过程曲线在时间轴上推迟一个。 49
Smith补偿的实现
用近似数学模型模拟纯滞后环节—帕德 一阶和二阶近似式
前馈控制系统的基本原理
前馈控制系统的基本原理前馈控制系统是一种控制系统，其中输入信号经过预先设计的控制器处理后，直接作用于被控对象，以实现对被控对象的控制。
该系统的基本原理是根据被控对象的数学模型和被控目标，设计适当的控制器，并通过对输入信号进行预先处理，以提前预测被控对象的响应，并消除或最小化干扰对被控对象的影响，从而实现精确控制。
前馈控制系统通常由以下几个主要组成部分构成：被控对象、传感器、控制器和执行器。
被控对象是指需要被控制的系统或设备，如机械臂、电机、飞机等。
传感器负责将被控对象的状态信息转换为电信号，以便输入到控制器中进行处理。
控制器根据输入信号和预先设计的控制算法，生成适当的输出信号，并将其发送到执行器。
执行器根据控制器的输出信号，对被控对象进行调节，从而实现控制目标。
前馈控制系统的基本原理是根据被控对象的数学模型和被控目标，设计适当的控制器，并通过对输入信号进行预先处理来实现精确控制。
在设计控制器时，需要考虑被控对象的动态响应特性、控制目标以及系统的稳定性、鲁棒性和性能要求等因素。
预处理器是前馈控制系统的重要组成部分，其作用是对输入信号进行预先处理，以消除或最小化干扰对被控对象的影响。
预处理器可以采用各种方法，如滤波、调幅、增益调整等，以实现对输入信号的改变。
在前馈控制系统中，控制器的设计是关键。
根据被控对象的数学模型和理想控制目标，可以选择合适的控制算法，如比例积分控制（PI控制）、比例微分控制（PD控制）、模糊控制、神经网络控制等。
控制器的设计要考虑稳定性、鲁棒性、性能要求等因素，以实现对被控对象的精确控制。
前馈控制系统的优点是能够减小被控对象对干扰的响应，提高系统的跟踪性能和鲁棒性。
通过预先预测被控对象的响应，并对控制器的输入信号进行合适的处理，可以消除或最小化干扰对被控对象的影响，从而实现更精确的控制。
前馈控制的控制原理及应用
前馈控制的控制原理及应用1. 前言前馈控制是一种常用于工业控制系统中的控制算法，它通过提前补偿预测误差信号来改善系统性能。
该文档将介绍前馈控制的基本原理，并探讨其在实际应用中的一些典型场景。
2. 基本原理前馈控制的基本原理是在控制系统中添加一个前馈通道，在其输入端加入一个预计误差信号。
该信号基于系统模型和期望输出值，预测了系统的未知干扰或负载的影响。
前馈控制可以分为两种类型：基于模型的前馈控制和自适应前馈控制。
基于模型的前馈控制依赖于系统的数学模型，通过对模型进行数学运算来生成前馈信号。
而自适应前馈控制则通过实时的系统反馈信息来不断修正前馈信号，以适应系统非线性和不确定性。
3. 应用领域前馈控制在工业控制系统中具有广泛的应用。
下面将介绍几个常见的应用场景。
3.1 电力系统在电力系统中，前馈控制可以用于电力传输线路的电压和频率控制。
通过提前预测负载变化和干扰信号，前馈控制可以及时调整电压和频率的输出，以保持系统的稳定性和可靠性。
3.2 自动驾驶在自动驾驶系统中，前馈控制可以用于车辆的方向和速度控制。
通过预测车辆目标点的位置和速度，前馈控制可以提前调整车辆的转向和加速操作，以实现准确的车辆控制。
3.3 机器人控制在机器人控制领域，前馈控制可以用于机器人的轨迹跟踪和姿态控制。
通过预测机器人的轨迹和姿态变化，前馈控制可以控制机器人的关节和执行器，以实现精确的运动和操作。
3.4 冷却系统在冷却系统中，前馈控制可以用于温度和湿度的控制。
通过预测外界环境的变化和系统的热载荷，前馈控制可以及时调整冷却系统的流量和温度，以保持系统的稳定性和效率。
4. 优点和局限性前馈控制具有以下优点： - 提高系统的响应速度和稳定性 - 减小系统误差 - 适用于高精度和高要求的控制系统然而，前馈控制也存在一些局限性： - 对于系统模型的要求较高 - 对系统干扰和负载变化的预测可能存在误差 - 无法处理系统的非线性和不确定性5. 总结本文介绍了前馈控制的控制原理及其在不同领域的应用。
前馈控制系统习题答案
前馈控制系统习题答案前馈控制系统习题答案前馈控制系统是控制工程中的一种重要控制策略，它通过提前预测被控对象的输出，并根据预测结果进行调整，以实现对系统的精确控制。
在学习过程中，我们常常会遇到一些前馈控制系统的习题，下面就让我们来一起探讨一些常见习题的答案。
1. 问题描述：一个前馈控制系统具有如下传递函数：G(s) = 2/(s+1)，输入信号为单位阶跃信号。
求系统的稳态误差。
解答：对于单位阶跃信号，其拉普拉斯变换为1/s。
将输入信号代入传递函数，得到输出信号的拉普拉斯变换为2/(s(s+1))。
稳态误差可以通过求解系统的开环传递函数来计算。
开环传递函数为G(s) = 2/(s+1)。
将s=0代入开环传递函数，得到开环传递函数在s=0处的值为2。
因此，稳态误差为1/2。
2. 问题描述：一个前馈控制系统具有如下传递函数：G(s) = 5/(s+2)，输入信号为正弦信号。
求系统的稳态误差。
解答：对于正弦信号，其拉普拉斯变换为ω/(s^2 + ω^2)，其中ω为正弦信号的频率。
将输入信号代入传递函数，得到输出信号的拉普拉斯变换为5ω/(s^2 + ω^2)(s+2)。
稳态误差同样可以通过求解系统的开环传递函数来计算。
开环传递函数为G(s) = 5/(s+2)。
将s=0代入开环传递函数，得到开环传递函数在s=0处的值为5/2。
因此，稳态误差为2/5。
3. 问题描述：一个前馈控制系统具有如下传递函数：G(s) = 10/(s^2 + 5s + 6)，输入信号为单位斜坡信号。
求系统的稳态误差。
解答：对于单位斜坡信号，其拉普拉斯变换为1/s^2。
将输入信号代入传递函数，得到输出信号的拉普拉斯变换为10/(s^2 + 5s + 6)(s^2)。
稳态误差同样可以通过求解系统的开环传递函数来计算。
开环传递函数为G(s) = 10/(s^2 + 5s + 6)。
将s=0代入开环传递函数，得到开环传递函数在s=0处的值为10/6。
生理学 人体内自动控制系统
人体内控制系统可分为非自动控制系统、反馈控制系统和前馈控制系统。
非自动控制系统在人体内并不多见，故而下面主要介绍反馈控制系统和前馈控制系统。
一、反馈控制系统：
1、定义及概述：反馈控制系统是由比较器、控制部分和受控部分组成的一个闭环系统；由于在该系统中反馈信号对控制部分的活动可发生不同的影响，所以可将其分为两种：负反馈和正反馈。
2、负反馈控制系统：（1）定义：来自受控部分的输出信息反馈调整控制部分的活动，最终使受控部分的活动向与其原先活动的相反方向改变。
（2）举例：①正常机体内，血糖浓度、PH、循环血量、渗透压的稳定②减张反射
3、正反馈控制系统：（1）定义：来自受控部分的输出信息反馈调整控制部分的活动，最终使受控部分的活动向与其原先活动的相同方向改变。
（2）举例：①排尿反射、排便反射②血液凝固过程③神经纤维膜上达到阈电位时Na+通道开放④分娩过程⑤胰蛋白酶原激活的过程
二、前馈控制系统：
1、定义：当控制部分发出信号，使受控部分进行某一活动时，受控部分不发出反馈信号，而是由某一监测装置在受到刺激后发出前馈信号，作用于控制部分，使其及早做出适应性反应，及时调控受控部分的活动。
2、意义：避免负反馈调节时矫枉过正产生的波动和反应的滞后现象，
使调节控制更快、更准确。
前馈控制系统的补偿方案与应用_王哲
前馈控制系统的补偿方案与应用王 哲 魏晓燕(江西省化学工业学校)摘 要:由于认识的不足和自动化工具的局限性,前馈控制系统一直发展比较缓慢。
随着新型仪表和新技术的发展为前馈控制系统创造了条件。
本文根据前馈控制系统的特点介绍了前馈控制的补偿实施方案以及应用。
关键词:前馈 控制系统 补偿方案1 前馈控制系统及其特点一般的控制系统都属于反馈控制,这种控制作用总是落后于扰动作用。
对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。
引入前馈控制可以获得显著的控制效果。
前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制,所以控制是及时的。
如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。
前馈控制系统原理如图一所示:图中:Gf 为扰动通道至测量点的过程传递函数Go 为控制通道至测量点的过程传递函数Gd 为前馈补偿装置的传递函数F 为扰动值根据原理图可知:Y(s)=[Gf(s)+Gd(s)Go (s)]F(s)前馈控制补偿的条件是:Gf(s)+Gd(s)Go (s)=0此式说明,扰动作用和前馈补偿装置依照扰动作用而产生的校正作用相互补偿,由此得出:Gd(s)=-Gf(s)Go(s)设过程特性是一阶的其控制通道和扰动通道的传递函数分别为:Go(s)=K 0ToS+1Gf(s)=Kf T f S+1则前馈补偿装置的传递函数为Gd(s)=-(Kf Ko )(T 0s+1T f s+1)=-Kd T 1s+1T 2s+1式中,Kd 是静态增益,(T 1S+1)是超前项,(T 2S+1)是滞后项,它是一个超前一滞后环节。
Kd 值可通过计算或实测获得,起静态补偿作用,使校正作用与扰动作用对被控变量的影响相抵消。
超前)滞后环节起动态补偿作用,使校正作用与扰动作用对被控变量的影响在时间上恰好合拍而使作用完全抵消。
如果T o >T f ,即扰动通道比控制通道反应快,则取T 1>T 2,就是在前馈校正通道上增加一些超前作用;反之,如果,即控制通道比扰动通道反应快,则取T 1<T 2,使前馈补偿装置起一个滞后作用;倘若T o U T f ,则取T 1U T 2,这就相当于静态前馈补偿。
前馈控制系统
实验名称：前馈控制系统班级：姓名：学号：实验四前馈控制系统一、实验目的（1）通过本实验，了解前馈控制系统的基本结构及工作原理。
（2）掌握前馈控制系统的设计思想和控制器的参数整定方法。
二、实验原理干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的。
前馈控制的原理是给系统附加一个前馈通道（或称前馈控制器），使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。
利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。
前馈控制系统主要特点如下：1) 属于开环控制只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。
但若系统中有一个环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。
另外，系统的控制精度取决于构成控制系统的每一部分的精度，所以对系统各环节精度要求较高。
2) 很强的补偿局限性前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰的影响。
因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。
而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。
因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。
3) 前馈控制反应迅速在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。
当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。
这非常有利于大迟滞系统的控制。
4) 只能用于可测的干扰对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。
按结构，前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。
一个典型的前馈-反馈复合控制系统如图1所示。
前馈-反馈复合控制和前馈-串级复合控制系统的工程整定方法主要有两种：1) 前馈控制和反馈或串级分别整定，确定各自参数，然后组合在一起；2) 首先整定反馈控制系统或串级控制系统，然后再在反馈或串级的基础上引入前馈控制系统，并对前馈控制系统进行整定。
前馈控制理论及应用
前馈控制理论及应用前馈控制是一种广泛应用于自动控制系统中的控制策略，其基本原理是在系统输出之前引入一个预测信号，以补偿系统的非线性和时变性，从而实现系统的稳定性和性能改善。
本文将介绍前馈控制的基本原理、主要方法和在实际应用中的案例。
一、前馈控制的基本原理前馈控制是一种开环控制方式，通过引入一个预测信号来抵消系统的非线性和时变性对系统性能的影响。
其基本原理可以概括为：在控制器输出之前，将预测信号与系统输出相加，并将其作为控制器输出的一部分。
这样，当系统遭受外部扰动或系统参数发生变化时，预测信号就能够及时地进行补偿，从而减小系统误差，提高系统的稳定性和鲁棒性。
二、前馈控制的主要方法1. 基于模型的前馈控制基于模型的前馈控制是利用系统的数学模型来设计控制器，以实现对系统非线性和时变性的补偿。
其主要步骤包括：建立系统的数学模型、根据模型设计前馈控制器、将前馈控制器与反馈控制器相结合。
该方法适用于系统模型已知或可以较好地近似的情况，可以提供较好的控制性能。
2. 自适应前馈控制自适应前馈控制是一种基于系统辨识理论的控制方法，通过不断估计系统的参数，实时地调整前馈控制器的参数，以适应系统的非线性和时变性。
其主要思想是根据系统的输入输出数据，在线估计系统的参数，并根据估计的参数设计前馈控制器。
这种方法适用于系统模型未知或模型难以建立的情况，能够实现对复杂非线性系统的控制。
三、前馈控制在实际应用中的案例1. 机械加工中的前馈控制应用在机械加工中，前馈控制可用于提高加工质量和生产效率。
例如，在数控车床中，通过提前计算材料的去除量和切削力信息，设计合适的前馈控制策略，可以实现对工件切削过程的精确控制，提高加工质量和加工效率。
2. 汽车车身稳定控制中的前馈控制应用在汽车车身稳定控制系统中，前馈控制可用于提高车辆的操控性和稳定性。
通过提前预测车辆受力情况，设计合适的前馈控制策略，可以使车辆对外部环境的变化做出快速反应，提高车辆操控性和运动稳定性。
前馈控制原理
前馈控制原理
前馈控制原理是一种控制原理，它利用反馈信号调节输出，以达到控制系统动态特性、精确控制和稳定性的良好表现。
它的基本原理是，先把前馈信号作为参考，然后根据调整
阀件的位置以实现对控制被控对象的精确控制。
前馈控制原理可以被描述为通过一个反馈回路来控制控制系统的输出，其原理如下：
将控制变量添加到输出端作为输入量，而后将该输入信号经过处理变换以获取的反映输出
的前馈信号，此时，该信号与期望的正反馈(正反馈信号通常由控制对象来设定)进行比较
并应用差分法产生比例微调器的调节量，从而使输出信号与生产出的期望反馈信号相匹配。
前馈控制原理可以用于控制复杂的系统及无力手动调整的系统。
它具有系统动态特性
良好、非常精确的控制水平以及良好的稳定性，可用于在大范围内控制对象的参数。
此外，前馈控制原理也可以用于系统诊断及故障排除，可以增强控制系统的安全性。
它能够检测参数渗透，加强分析中遇到的问题，产生较为准确的结果，即使对象参数发生
变化也能快速响应，可以检测控制系统的变化，并采取有效的补救措施来减少控制系统的
波动性。
前馈控制名词解释
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。
前馈控制系统
换热器工艺流程
热流体 F2，T2
➢反馈控制
反馈控制：指在被控变量偏离给定源自后，依据偏差，控制器发出控制指令，补偿 扰动对被控变量的影响。
蒸汽
TC 设定温度T0
P0，BF1 s TT
B2
冷流体 F1，T1
冷凝液
热流体 F2，T2
换热器反馈控制系统
➢反馈控制的特点
偏差
- 设定值
反馈控制器
执行器
Go(t)
前馈控制器模型为：
前馈模型框图
G
ff
(t)
-
Gf Go
(t（) 全补偿条件） (t)
X(t)：扰动量输入；Y(t)：被控量输出
Gf(t)：扰动通道传递函数； Gff(t)：前馈控制器传递函数（包括测量部分） Go(t)：控制通道传递函数（包含执行器）
➢单纯的前馈控制系统的缺点
补偿效果无法检验。 控制精度不高，受负荷和工况等因素影响。 若系统存在多个扰变量，需设置多个前馈控制通道，投资费用和维护量大。
系统负荷变化时，模型特性会发生变化，可由反馈系统加以补偿，因此系 统具有一定的自适应能力。
➢前馈-串级复合控制系统
Gff Fs
SP2 FC
B1
X
B2
TC SP1
Y
换热器前馈-串级复合控制系统
主回路通过温度调节器TC保证出口温度保持在设定值，副回路 通过流量调节器FC调节蒸汽流量以克服蒸汽带来的扰动。
➢前馈-串级复合控制系统的特点
Gb(t)：副回路反馈传递函数
Gff(t)
SP1
-
- Gc(t) SP2
Gb(t)
②
Go(t)
①
前馈-串级模型框图
复杂控制理论--前馈控制
滞后的“一阶超前/一阶滞后”环节来实现前馈补偿来近似。
如：
Gpd
(s)
K2 eL2S T2s 1
GPC (s)
K1 T1s 1
eL1s
G ff
(s)
GPd (s) Gpc (s)
K ff
T1s 1 eLff s T2s 1
式中：Kff=K2/K1；Lff=L2-L1
(2) 用软件实现
2、参数整定 ①单纯的前馈控制，可视工艺要求进行参数整定
③ 前馈控制器是基于系统的数学模型得到的，任何模型的获得都是 在一定合理假设的基础上建立的机理模型、或是通过辨识系统的结构参数 而得到辨识模型；无论什么模型不可能绝对准确，即无法求得理想的补偿 器，因而造成补偿不完全。
④ 补偿器从数学形式上看是两个传递函数的比值形式，若得到的结 果分子阶次高于分母，或前馈控制算式中含有超前环节或微分环节，在物 理上不可实现的，此时构成的控制器只能是一种近似结构，也不可能对干 扰进行完全补偿。
2、前馈控制算法的形式 对于时间连续的线性过程
G
ff
(
s)
Gpd Gpc
(s) (s)
一般可以写成：
Gff (s)
K
ff (1 1
b1s a1s
b2s2 a2s2
)
es
当分母和分子阶次较高、特别是有时滞或超前环节时，实施比较困难。
为此通常采用
G ff
(s)
K
ff
1 T1s 1 T2s
f1 Gp2(S) c2 Gp1(S) c1
串级控制系统方框图
Gff(s)
+ -
GC1(S)
++ -
GC2(S)
前馈控制原理
扰动一旦出现，前馈控制器就检测到其变化情况，及时有效地 抑制扰动对被控变量的影响，而不是像反馈控制那样，要待被控 变量产生偏差后再进行控制。在理论上，前馈控制可以把偏差彻 底消除。如果控制作用恰到好处，前馈控制一般比反馈控制要及 时。这个特点也是前馈控制的一个主要特点。基于这个特点，可 把前馈控制与反馈控制作如下比较，见表4.1。
第四章 前馈控制系统
4.2 前馈控制的特点及局限
4.2.1 前馈控制的特点
（1）前馈控制是一种开环控制 图4.1所示系统中，当测量到冷物料流量变化的信号后，通过
前馈控制器，其输出信号直接控制调节阀的开度，从而改变加热 蒸汽的流量。但加热器出口温度并不反馈回来，它是否被控制在 原来的数值上是得不到检验的。所以，前馈控制是一种开环控制， 从某种意义上来说这是前馈控制的不足之处。因此前馈控制对被 控对象特性的掌握必须比反馈控制清楚，才能得到一个较合适的 前馈控制作用。
第四章 前馈控制系统
如图4.1所示，是换热器的前馈控制系统及其方框 图。图中，加热蒸汽流过换热器，把换热器套管内的 冷物料加热。热物料的出口温度用蒸汽管路上的控制 阀来调节。引起出口温度变化的扰动有冷物料的流量 与初温、蒸汽压力等，其中最主要的扰动是冷物料的 流量Q。
设 G f (s)为扰动通道的传递函数， G0 (s) 为控制通 道的传递函数，G ff (s) 为前馈补偿控制单元的传递函 数，如果把扰动值（进料流量）测量出来，并通过前
第四章 前馈控制系统
表4.1 前馈控制与反馈控制的比较
控制类型
控制的依据
检测的信号
控制作用的发生时间
反馈控制 前馈控制
被控变量的偏差 扰动量的大小
前馈控制系统
6．1 汽车检测站概述
6.1.1 我国汽车综合性能 检测技术的发展方向
我国汽车综合性能检测经历了从无到有，从小到大； 从引进技术、引进检测设备，到自主研究开发推广 应用；从单一性能检测到综合检测，取得了很大的 进步。
1．汽车检测技术基础规范化 2． 汽车检测设备智能化 3． 汽车检测管理网络化
前馈控制系统
Feedforward Control
内容
前馈控制的原理 非线性静态前馈控制的设计方法 前馈控制系统的动态补偿 前馈反馈控制系统 仿真举例
前馈控制的概念
前馈 控制器
u
D1 Dn y
对象
D1，……，Dn为 可测扰动；u，y 分别为被控对象 的操作变量与受 控变量。
前馈思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作 变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。
静态前馈控制
控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰 动的影响，即实现“稳态不变性”。
静态前馈控制方式： 线性静态前馈： GFF (s) GYD (s) GYC (s) s0 非线性静态前馈：结合对象静态模型获得前 馈控制器结构与参数。
非线性静态前馈控制
T2sp
前馈 控制器
RVsp
RV
FC
2）安全环保性能检测。安全环保性能检测项目主要是： 制动性能、前照灯特性、车速表性能、侧滑性能、尾气排 放物含量、噪声、轴荷、使用可靠性以及外部检视。
3）修理质量检测。修理质量检测项目主要是：发动机性 能、制动性能、前照灯特性、车速表性能、车轮定位、转 向性能、侧滑性、尾气排放物含量、轴荷、客车防雨密封 性、使用可靠性以及外部检视。
1.先进性 工位设置及布局的先进性应体现 在新技术、新工艺的有效运用，先进的工艺布 局，能保证检测过程的有序和高效，能适应现 代汽车高技术性能检测的需要。
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d(t) GYD (s) GFF (s) u(t) GYC (s)
＋ ＋
y(t)
讨论：当控制通道与扰动通道的动态特性差异较大时， 需要引入动态补偿。对于线性系统，动态补偿算法为
GFF ( s ) GYD ( s ) GYC ( s ) K YD K YC gYD ( s ) gYC ( s )
对于干扰与控制通道的动态模型，对通道模型要求弱，大多数情况 要求已知而且准确 无需各道模型
对时变与非线性对象的适应性弱
对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强
三、前馈反馈控制系统
①对象动态特性形式多样难以精确测量 ②工业对象存在多个扰动，若均设置前 馈控制器，投资高，工作量大。 ③补偿结果没有检测手段
一、基本原理及结构（续）
换热器控制方案举例
蒸汽
蒸汽
TC
HV, RV
FF
HV, RV
工艺 介质
RF
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
T2
cp, RF , T1
凝液
T2
反馈控制方案
前馈控制方案
一、基本原理及结构（续）
换热器前馈控制方块图
d(t) GYD (s) GFF (s) u(t) GYC (s)
非线性静态前馈控制
T2sp 前馈 控制器 T1 RVsp
FC
稳态平衡关系：
c p RF (T2 T1 ) HV RV
sp RV k v RF (T2sp T1 ) ,
RV
蒸汽
RF
kv c p / H V
工艺 介质 T2 凝液
T2sp
＋
∑
×
kv
RVsp
－ T1 RF
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒉ 前馈控制的动态补偿（续）
这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分， 其稳态增益均为1。
பைடு நூலகம்
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒉ 前馈控制的动态补偿（续）
对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动 态两部分：
GFF (s) K FF g FF (s)
K YC ,
其中
K FF
K YD
g FF ( s )
×
kv
RVsp
－
g 2 ( s) g1 ( s)
－ T1 RF
T1
静态前馈控制器
动态前馈控制器 （g1(s)、g2(s)、g3(s)分别表 示RVsp、T1、RF对系统输出T2 的通道特性的动态部分。）
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒉ 前馈控制的动态补偿（续）
②换热器的前馈控制器
sp RV k v RF (T2sp T1 ) ,
gYD ( s )
gYC ( s )
对于非线性系统，上式中静态前馈部分可由对象的 非线性静态模型计算得到，而动态部分同样可按线性对 象处理。
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒉ 前馈控制的动态补偿（续）
②换热器的前馈控制器
T2sp ＋
∑
× g 3 (s) g1 ( s) RF
kv
RVsp
T2sp
＋
∑
设： 控制通道的特性为： GYC ( s) K1 1S e T1S 1
K 2 2 S 干扰通道的特性为： GYD ( s) e T2 S 1
GFF ( s )
GYD ( S ) T S 1 S Kd 1 e GYC ( S ) T2 S 1 K1 ； 2 1
其中：K d K 2
四、前馈补偿装置的控制算法
多数工业对象可用带有纯滞后的“一阶超 前/一阶滞后”环节来实现前馈补偿。
T1S 1 T1S 1 S " K d （即比值调节） " ; 和" K d " 及" K d e " T2 S 1 T2 S 1
Kd K2 K1 ； 2 1
前馈控制系统
内 容
前馈控制的由来与原理 静态前馈控制系统 前馈控制系统的动态补偿 前馈反馈控制系统 结论
一、基本原理及结构
问题：过程特性决定了它被控制的难易，一个本性难控的 过程具有Kf大、Tf<To、τo/To大的特点，难控过程受到 较大扰动后，反馈控制的效果将不令人满意。下面分析其 原因，并讨论相应对策。
＋ ＋
Y ( s) GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s) 0 D( s )
控制目标：D(S)≠0时，要求Y(S)=0
本例中，d (t)、u (t)、y (t) 分 别表示工艺介质流量（外部干 扰）、蒸汽流量（控制变量）与 工艺介质的出口温度（被控变 y(t) 量）；GFF(s)为前馈控制器的动 态特性；GYD(s)、GYC(s)分别为 干扰通道与控制通道的的动态特 性。
结 论
引入前馈控制的可能应用场合：
（1）主要被控量不可测； （2）尽管被控量可测，但控制系统所受的干扰严重， 常规反馈控制系统难以满足要求。
应用前馈控制的前提条件：
（1）主要干扰可测； （2）干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； （3）干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
前馈控制系统 局限性
④受前馈控制模型精度限制
⑤实现前馈控制算法，往往作近似处理
“前馈-反馈控制系统 ”
三、前馈反馈控制系统
前馈—反馈控制系统具有以下优点：
•A从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低 了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前 馈信号的干扰产生校正作用。 •B从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对主 要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的 负担。
一、基本原理及结构
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
D1，……，Dn 为可测扰动；u， y分别为被控对
象的操作变量与 受控变量。
u
前馈控制思想：在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变 量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。 前馈控制定义：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， 使被控变量维持在设定值上。例如，我们以换热器前馈控制 系统来说明其方案控制过程
Y(t) D(t)
yc
ΔD
GFF ( s)
GYD ( s) GYC ( s)
t
yd
一、基本原理及结构（续）
前馈不变性原理 动态不变性：在扰动d(t)的作用下，被控量y(t) 在整个过渡过程中始终保持不变，称系统对于 扰动d(t)具有动态不变性，即Y(s)/D(s) = 0, （调节过程的动态和稳态偏差均为零，”理想 情况“）。 稳态不变性：在干扰d(t)作用下，被控量y(t)的 动态偏差不等于零，而其稳态偏差为零，即 Y(0)/D(0) = 0，或者说y(t) 在稳态工况下与 扰动量d(t)无关。
•① 对变量间存在乘、除关系的非线 性过程，采用非线性前馈控制起比采 用线性前馈控制器可明显地提高控制 质量。
•② 由物料或能量平衡获取非线性模 型，而通过通道的逐个测试来获取动 态模型，这两种模型获取方法都较易 实现的。
前馈控制与反馈控制的比较
前馈控制 反馈控制 扰动可测，但不要求被控量可测 被控量直接可测 超前调节，可实现系统输出的不 按偏差控制，存在偏差才能调节， 变性（但存在可实现问题） （滞后调节） 开环调节，无稳定性问题 系统仅能感受有限个可测扰动 闭环调节，存在稳定性问题 系统可感受所有影响输出的扰动
换热器的前馈反馈控制方案1
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
∑
RVsp
RV
FC
蒸汽
－ T1
T2
工艺 介质 凝液
换热器的前馈反馈控制方案2
T2sp
TC
＋
∑
前馈控制器 × RF k1
RVsp
RV
FC
蒸汽
－ T1
T2
凝液
工艺 介质
特点：可克服对象的非线性，或具有变增益控制器的功能。
四、前馈补偿装置的控制算法
原因 相应措施 ⒈本性难控过程克服扰动的稳定时间长 ⒈将扰动克服在被控变量偏 产生偏差大； 离设定值之前
⒉反馈控制器不会区别偏差产生的原因， ⒉针对较大可测和不可控的 只是减少偏差，直到趋近“0”； 扰动采取措施，使被控变量 在扰动下基本不变
⒊扰动产生频率过高，将使系统振荡； ⒊开环控制
“前馈控制方案
T2sp ＋
∑
× g 3 (s) g1 ( s) RF
kv
RVsp
－
g 2 ( s) g1 ( s)
kv c p / H V
T1
g3 ( s) sp g 2 ( s) R kv RF (T2 T1 ), g1 ( s) g1 ( s)
sp V
kv c p / HV
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒊ 非线性前馈控制器的工程意义
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒈ 静态前馈控制
控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部
扰动的影响，即实现“稳态不变性”。
静态前馈控制方式： 线性静态前馈：
GFF ( s) GYD ( s)
GYC ( s) s 0
非线性静态前馈：结合对象静态模型获得
前馈控制器结构与参数。
二、前馈控制系统的几种结构形式 ⒈ 静态前馈控制（续）