过程控制系统第五章 前馈控制系统

5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制系统框图如图5-3所示。
Wm (s)
F (s)
W0 (s)
Wf (s)

Y (s)

图5-3 前馈控制系统框图
图中， Wm (s)为前馈控制器，传递函数 Wf (s) 为过程扰动通道传递函数；W0(s) 为过程控制通道传递函数；F(s) 为系统可测不可控扰动；Y (s) 为被控参数。
（5-5）
式（5-5）右边第一项是扰动量 F(s) 对被控量Y (s) 的影响，第二项是前馈控制作
用，第三项是反馈控制作用。
5.2 前馈控制系统的结构形式
对图5-5a所示前馈-反馈控制系统，输出对扰动 F(s) 的传递函数为
Y (s) Wf (s) Wm (s)W0 (s) F(s) 1Wc (s)W0 (s)
（5-6）
注意到在单纯前馈控制下，扰动对被控量的影响为
Y (s) F (s)

Wf
(s)
Wm (s)W0 (s)
（5-7）
可见，采用了前馈-反馈控制后，扰动对被控量的影响为原来的 1/ [1Wc (s)W0 (s)] 。 这就证明了反馈回路不仅可以降低对前馈补偿器精度的要求，同时对于工况变动时 所引起的对象非线性特性参数的变化也具有一定的自适应能力。
在过程控制领域中，前馈和反馈是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制 的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1.1 反馈控制的特点
a）原理示意图 图5-1 换热器温度反馈控制系统
图5-1为换热器温度控制系统原理框图。图中，

p
D2为 为热蒸流汽体压温力度；T；T 为1 为温冷度流测体量温变度送；器q；为20流为体热流流量体；温q度D给为定蒸值汽；流量；
qF
FT
FFC

TT
0 TC
FC
FT
qB
图5-6 加热炉出口温度前馈-串级控制系统
5.2 前馈控制系统的结构形式
由串级系统分析可知，系统对进入副回路的扰动影响有较强的抑制能 力，而前馈控制能克服进入主回路的系统主要扰动。另外，由于前馈控 制器的输出不直接加在调节阀上，而是作为副调节器的给定值，因而可 降低对调节阀门特性的要求。实践证明，这种复合控制系统的动、静态 品质指标均较高。
假变即设化通换幅过热值流器大量的，变物且送料对器流出测量口量温物q 度料是流影量响2的被q影控，响量并力将最2流的显量主著变要。送扰为器动此的，，输此采出时用信前q号馈送变控到化制前频方馈繁式补，，
偿器，前馈补偿器根据其输人信号，按照一定的运算规律操作调节阀，从而
改变加热用蒸汽流量 qD，以补偿物料流量 q 对被控温度的影响。
4. 前馈控制属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1 前馈控制的基本概念
到目前为止，所讨论的控制系统，如单回路控制系统、串级控制系统，都是 有反馈的闭环控制系统，其特点是当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数 出现偏差时，调节器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响。众所周知，被控 参数产生偏差的原因是由于扰动的存在，倘若能在扰动出现时就进行控制，而 不是等到偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更快、更有效地消 除扰动对被控参数的影响。前馈控制正是基于这种思路提出来的。
5.1 前馈控制的基本概念
由图5-3可知
Y (s) Wf (s)F (s) Wm (s)W0 (s)F (s)
Y (s)
故
F (s) Wf (s) Wm (s)W0 (s)
要使
Y (s) 0 F (s)
可得，前馈控制器模型为
Wm
(
s)


W0
(s) (s)
（5-1） （5-2）
2. 前馈控制只适用于克服可测不可控的扰动，而对系统中的其它扰动无抑制作 用，前馈控制具有指定性补偿的局限性。为了克服这种局限性，通常将前馈、 反馈两者结合起来，构成复合控制系统。可测不可控的主要扰动由前馈控制抑 制，其它的由闭环控制解决。
3. 前馈控制具有静态和动态两种。静态前馈控制只能对扰动的稳态响应有良好 的补偿作用，但静态前馈控制器只是一个比例调节器，实施起来十分方便。动 态前馈控制几乎每时每刻都在补偿扰动对被控量的影响，故能极大提高控制过 程的动态品质，是改善控制系统品质的有效手段，但控制器取决于被控对象的 特性，往往比较复杂，难以实施。
（5-4）
顾名思义，静态前馈控制只能对扰动的稳态（静态）响应有良好的补
偿（控制）作用。由于静态前馈控制器为一比例调节器，实施起来十分方 便，因而在扰动变化不大或对补偿（控制）要求不高的生产过程中，可采 用静态前馈控制结构形式。
5.2 前馈控制系统的结构形式
5.2.2 动态前馈控制系统
显然，静态前馈控制系统结构简单、易于实现，在一定程度上可改善过 程品质，但在扰动作用下控制过程的动态偏差依然存在。对于扰动变化频繁 和动态精度要求比较高的生产过程，此种静态前馈往往不能满足工艺上的要 求，这时应采用动态前馈方案。
F(s)
1Wc (s)W0 (s)
（5-9）
要实现完全补偿（Y (s) / F(s) 0 ），前馈模型为
Wm
(s)


Wf (s) W0 (s)Wc (s)
（5-10）
此时前馈控制器的特性不但取决于过程扰动通道及控制通道特性，还与反馈控 制器 Wc (s)的控制规律有关。
5.2 前馈控制系统的结构形式
5.2 前馈控制系统的结构形式
在实际过程控制中，前馈控制有多种结构形式，下面仅介绍几种典型方 案。
5.2.1 静态前馈控制系统
静态前馈控制是最简单的前馈控制结构，只要令图5-3中的前馈控制器 传递函数（式5-3）满足下式即可：
Wm
(s)

Km


Kf K0
式中 K f 、K0 为干扰通道与控制通道的静态增益。

图 5 4 所 示 为 炼
5.2 前馈控制系统的结构形式
FFC
FT
qF

TT TC
0
qB
图5-4 加热炉前馈-反馈控制系统
5.2 前馈控制系统的结构形式
典型的前馈-反馈控制系统如图5-5所示。它是由一个反馈回路和一个外环 补偿回路叠加而成的复合系统。
X

F
Wm (s)
Wc (s)
本章内容要点
1. 前馈控制的本质是“基于扰动消除扰动对被控量的影响”，即一旦扰动出现 立刻进行补偿，故前馈控制又称为“扰动补偿”。反馈控制的本质是“基于扰 动产生的偏差来消除扰动对被控量的影响”，在扰动出现后、偏差产生前，调 节器没有控制作用。因此，前馈控制对抑制扰动引起的被控量的动、静态偏差 比较有效。
4）引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多 种扰动对被控量的影响。
5）反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、PI、PD和PID等。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1.2 前馈控制原理与特点
a）系统控制流程图
b）控制系统框图
图5-2 换热器前馈控制系统
对图5-1所示的热换器，采用如图5-2所示的前馈控制系统。
5.1 前馈控制的基本概念
由此可归纳出反馈控制的特点如下：
1）反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有偏差出现，也就没有 控制作用了。
2）无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器才动作，故 调 节器的动作总是落后于扰动的作用，是一种“不及时”的控制。
3）反馈控制系统，因构成闭环，故而存在稳定性的问题。即使组成闭环系统的 每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。
4）只适合用来克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其它扰动无抑制作用。 因此，前馈控制具有指定性补偿的局限性。
5）前馈控制器的控制规律，取决于被控过程的特性。因此，往往控制规律比 较复杂。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1.3 前馈控制的局限性
由前馈控制的原理、特点可以看出，前馈控制虽然对可测不可控的扰动有 很好的抑制作用，但同时也存在着很大的局限性。
动态前馈的结构参见图5-3，其中前馈控制器的传递函数由式（5.3） 决定。对比式（5-3）与式（5-4）可见，静态前馈是动态前馈的一种特殊情 况。
采用动态前馈后，由于它几乎每时每刻都在补偿扰动对被控量的影响，故 能极大地提高控制过程的动态品质，是改善控制系统品质的有效手段。
动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质，但是动态前馈控制器 的结构往往比较复杂，需要专门的控制装置，甚至使用计算机才能实现，且 系统运行、参数整定也比较复杂。因此，只有当工艺上对控制精度要求极高、 其他控制方案难以满足时，才考虑使用动态前馈方案。
5.2 前馈控制系统的结构形式
5.2.3 前馈-反馈复合控制系统
为了克服前馈控制的局限性，工程上将前馈、反馈两者结合起来。这样， 既发挥了前馈作用可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特点，同时也降低了系统对前馈补偿器的要求， 使其在工程上易于实现。这种前馈-反馈复合控制系统在过程控制中已被广 泛地应用。
在前馈-反馈复合控制系统中，实现前馈作用的完全补偿的条件不变，即对图5-5a 所示结构
Wm
(s)


Wf W0
(s) (s)
（5-8）
5.2 前馈控制系统的结构形式
对于图5-5b所示系统结构的情况，出于输出Y (s) 对扰动F(s)的传递函数为
Y (s) Wf (s) Wc (s)W0 (s)Wm (s)
（1）完全补偿难以实现。
前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使系统得到良好的动态品质、
但完全补偿几乎是难以作到的，因为要准确地掌握过程扰动通道特性 Wf (s)及
控制通道特性 W0 (s) 是不容易的。故而前馈模型 Wm (s) 难以准确获得；且被控
对象常含有非线性特性，在不同的工况下其动态特性参数将产生明显的变化，
原有的前馈模型此时就不能适应了，因此无法实现动态上的完全补偿。即使
前馈控制器模型 机）。
W能m (准s)确求出，有时工程上也难以实现（必须采用计算
5.1 前馈控制的基本概念
（2）只能克服可测不可控的扰动 实际的生产过程中，往往同时存在着若干个扰动。如上述换热器温度控制系统
中，物料流量q 、物料入口温度1 、蒸汽压力 PD 等的变化均会引起出口温度2
5.2.4 前馈-串级复合控制系统
在过程控制中，有的生产过程常受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响。 而生产过程对被控参数的控制精度和稳定性要求又很高，这时可考虑采用 前馈-串级控制系统。
对图5-4所示的加热炉,可采用图5-6所示前馈-串级复合控制系统。系统 中副调节器为流量调节器FC，前馈控制器FFC采用动态前馈模型。前馈-串 级复合控制系统的框图如图5-7所示。
（5-3）
5.1 前馈控制的基本概念
由此，可将前馈控制器的特点归纳如下：
1）前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故前馈控制又称为 “扰动补偿”。
2）扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、 静态偏差比较有效。
3）前馈控制属于开环控制，所以只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必 然稳定。
TC 为温度调节器；K v为温度调节阀门。
5.1 前馈控制的基本概念
b）系统框图 图5-1 换热器温度反馈控制系统
在图5-1所示的温度反馈控制系统中，当扰动（如被加热的物料流量 q、入口
温化的度，大使小1其 和或偏方蒸离向汽给产压定生力值控p制D作等20 用的，，变随通化之过）温调发度节生调阀后节的，器动将按作引照改起被变热控加流量热体偏用出差蒸口值汽温e的度流2量20发q生D2变， 从而补偿扰动对被控量 2 的影响。
W0 (s)
Wf (s)
Y
F(s)

X


F
Wm (s)
Wc (s)
W0 (s)
Wf (s)

Y

a）前馈信号接在反馈控制器之后
b）前馈信号接在反馈控制器之前
图5-5 单回路前馈-反馈复合控制系统
由图5-5a可知，在扰动 F(s)作用下，系统输出为
Y (s) Wf (s)F (s) Wm (s)W0(s)F(s) Wc (s)W0(s)Y (s)
的变化。如果要对每一种扰动都实行前馈控制，就是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，这将使系统变得庞大而复杂， 从而增加自 动化设备的投资。另外，尚有一些扰动量至今仍然无法实现在线测量。而若仅 对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响。这些 因素均限制了前馈控制的应用范围。