第八章前馈控制系统
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。
第8-6章前馈控制系统
+ Y=T2
例：加热炉出口温度前馈－串级控制系统
原油
燃料
8.6.3 前馈控制系统的应用场合
1）干扰幅值大而频繁、对被控变量影响剧烈，仅采用反馈 控制达不到要求的对象。 2）主要干扰是可测而不可控的变量。 3）当对象的控制通道的惯性和滞后大，反馈控制不及时， 控制质量差时，可引入前馈控制。
4）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通 过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。
过程控制
8. 6 前馈控制系统
6.2前馈控制
8.6.1 概述 8.6.2 前馈控制系统的结构 8.6.3 前馈控制系统的应用场合
8.6.1 概述
反馈控制特点（例：换热器温度控制系统）
蒸汽
Q1：冷物料流量 pD ：蒸汽压力
TC
pD , Q2 Q1，T1 T2 给定值 偏差
T1：冷物料温度 T2：热物料温度
换热器温度前馈-反馈控制系统
前馈控制器的传递函数：
W
ff
(S )
W PD ( S ) W PC ( S )
前馈反馈控制系统实现完 全补偿与开环前馈比较前 馈控制器传函相同。
Q1 前馈-反馈控制原理方块图
Wff(S)
+
WPD(S) WPC(S)
+ T 2
T1i
-
WC(S)
前馈-反馈控制方框图
前馈-反馈控制系统优点： 1、只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它 干扰可由反馈控制予以校正； 2、反馈回路的存在，降低了前馈控制模型 的精度要求，为工程上实现比较简单的通用 模型创造了条件； 3、负荷变化时，模型特性也要变化，可由 反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能 力。
前馈控制系统和反馈控制系统的区别ppt课件
• 反馈控制系统是根据系统被控量和给定值之间的偏差进行工作的，偏差 是控制的依据，控制系统要达到减小或消除偏差的目的。
设定值r + 偏差e 控制器
执行器 控制量u
控制阀
扰动d 被控对象 被控量y 操纵量q
被控量检测元件、变送器 图1 前馈控制系统方框图
.
控制的依据不同
前馈控制系统：干扰。按干扰大小和方向产生相应的控制作用。 反馈控制系统：被控量。按被控量与设定值的偏差大小和方向产生相应的
.
换热器控制方案
前馈控制
外部干扰：工业介质流量 控制变量：蒸汽流量 被控变量：出口温度
.
反馈控制
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前馈控制系统和反馈控制系统的区 别
任凭 20134373
.
前馈控制系统
前馈控制系统是基于补偿的原理，是根据扰动量的大小进行工作的，扰 动是控制的依据。由于前馈控制没有被控量的反馈信息，因此它是开环控 制系统。
扰动量检测元件、变送器
扰动d
前馈控制器
调节阀
被控过程
图1 前馈控制系统方框图
.
反馈控制系统
控制作用。
.
控制的效果不同
前馈控制系统：作用及时，不必等到被控量出现偏差就产生了控制作用， 理论上可实现对干扰的完全补偿，使被控量保持在设定值上
反馈控制系统：须在被控量出现偏差后，控制器才对操纵量进行调解以克 服干扰的影响，控制作用很不及时，理论上不可能使被控量始终保持在设 定值，总需要以被控量的偏差为代价来补偿干扰的影响。即在整个控制系 统中要做到无偏差，必须首先要有偏差。
.
实现的经济性和可能性
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
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。
前馈反馈控制系统
前馈—反馈复合控制系统摘要流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。
锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。
本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。
随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真目录一．前馈控制1.前馈控制的定义2.换热器前馈控制二．前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点2.前馈控制的局限性三．反馈控制1.定义2.反馈控制的特点四．复合控制系统特性1.前馈-反馈复合控制原理2.复合控制系统特点五．小结六．参考文献一、前馈控制1.前馈控制的定义前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
2.换热器前馈控制在热工控制系统中，由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。
考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。
前馈控制的原理
前馈控制的原理
前馈控制是一种基本的控制策略，它通过测量输入信号并在系统中引入补偿来实现系统的稳定性和性能改善。
前馈控制的原理是利用系统输入与输出之间的数学关系，预测未来的输出，并在系统中引入一个对应的补偿信号，以抵消预期的干扰或误差。
在前馈控制中，控制器通过测量系统的输入信号，并使用确定的数学模型进行预测，以确定所需的补偿输入。
这个补偿信号被加到系统的输入信号上，以抵消预期的干扰或误差。
具体而言，前馈控制可以分为两个主要部分：前馈路径和反馈路径。
前馈路径负责测量输入信号，并将其送入控制算法中进行处理。
这个控制算法使用系统的数学模型和预测模型来计算出所需的补偿信号。
然后，这个补偿信号被送入系统的输入信号中。
在反馈路径中，系统的输出信号被测量，并与预期的输出信号进行比较。
比较的结果被用作反馈信号，通过控制算法进行处理，并生成一个反馈控制信号。
这个反馈控制信号被送入系统的输入信号中，以进一步调整系统的行为，以使输出信号与预期输出信号更加接近。
通过这种方式，前馈控制可以提前纠正系统中的误差或干扰，改善系统的稳定性和性能。
它能够快速响应变化，并减小系统的过渡过程。
前馈控制在许多领域都有应用，如机械控制系统、电力系统和自动化控制系统等。
总之，前馈控制利用输入与输出之间的数学关系和预测模型，通过引入补偿信号来提前纠正系统中的误差或干扰。
这个控制策略可以提高系统的稳定性和性能，并在许多实际应用中发挥重要作用。
前馈控制
为解决前馈控制上述局限，工程上将前馈控制和反馈控制结合 起来。发挥前馈控制能及时克服主要扰动对被控量的影响，又保 持了反馈控制能克服多个扰动影响，同时降低了系统对前馈补偿 器的要求，使其在工程上便于实现。
前馈—反馈复合控制系统
Gff
+
TC
FS
F
θ1
图上.换热器前馈-反馈控制系统
馈控制器
+ — —
执行器 测量、变送
对象
Wff(s)
f
Wd(s)
r _
Wc(s)
y
Wv(s)
Wo(s)
Wm(s)
前馈控制器应用场合
（1）干扰幅值变化大且频繁，对被控变量影响剧烈，仅 采用反馈控制达不到要求的对象。 （2）主要干扰是可测而不可控的变量。 （3）当对象的控制通道滞后时间较长、反馈控制不及时， 可采用前馈或前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。
limy(t)0 (f(t)0)
t
静态前馈系统就属于此类系统，其控制规律为
Wff
(s)
Wd (s) Wo(s)
这是一个比例环节，它是前馈控制中最简单的形式。
2 动态前馈控制系统
当工艺上对控制精度要求高，其他控制方案难以满足时，且存 在一个“可测不可控”的主要扰动时，可考虑使用动态前馈控制 方案。
前馈控制系统
前馈控制原理
所谓前馈控制，它是与反馈控制相对而言的。反馈控制是在 系统受到扰动，被控量发生偏差后再进行控制，而前馈控制的基 本思想就是根据进入过程的扰动量（包括外界扰动和设定值变 化），产生合适的控制作用，使被控量不发生偏差。
名词解释前馈控制
名词解释前馈控制前馈控制是一种用来解决系统动态特性和性能指标（输出精度，响应时间，稳定性）的控制策略。
在控制系统设计时，它被广泛应用于多种控制作用的系统，用于动态表征，改善系统的控制性能，降低不确定性和复杂性。
前馈控制是指通过将观测信号前馈到控制系统来改善系统性能的控制方法。
引入观测信号可以使控制系统有更多的可能性来改善系统的控制特性。
前馈控制系统中的观测信号，可以提供更多有用的信息，以改善控制系统的控制响应，重新激活失效的反馈环节，并保证控制系统的动态稳定性。
前馈控制的工作原理是，将实时观测信号作为前馈，而不是等待反馈信号，以改进系统的控制性能。
前馈信号可以提前预知实际输出与期望输出之间的差距，及时控制实际输出朝设定输出进行修正。
前馈系统比反馈系统具有更强的抗干扰能力，可以减少系统响应时间的延迟，并且可以在输出时间很短的情况下实现较高的精度。
前馈控制的设计决定了其能否发挥最佳性能。
一般来说，设计精确的前馈控制需要更多的参数设置，以获得满足性能要求的准确性和可靠性。
该过程包括设计系统模型，分析其动态特性，调整参数和参数估计，选择正确的控制器，并考虑外部干扰因素，如传感器和噪声。
前馈控制的主要优点是其高精度和稳定性，以及它比反馈控制更容易设计，不需要频繁调整参数。
它还具有较强的抗干扰能力，可以在控制系统的延迟较小的情况下获得较高的控制精度。
然而，前馈控制也有一些缺点，包括模型依赖性，仅在较小范围内有效，调节时间较长，输出精度较低以及对外界干扰的敏感性。
因此，有效的前馈控制需要严格设计，以便系统具有良好的抗干扰性和稳定性。
综上所述，前馈控制是一种有效的控制策略，可以有效改善动态特性和控制性能，特别是在遇到较大干扰和复杂外部环境的情况下，可以获得较高的控制精度和抗干扰能力。
然而，在设计前馈控制时，要求设计更复杂，因此要求更严格的设计，以确保系统能够获得较高的准确性和可靠性。
前馈控制
反馈控制时按被控变量的偏差进行控制，所以只有出现偏差之后才能够对操作变量进行调节，如果扰动已经产生，但被控变量还没有变化，是不会去调节的。
所以，这种调节作用总是落后于扰动。
前馈是按照干扰作用的大小来进行控制的，当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号产生调节作用，及时补偿扰动造成的被控对象的波动。
反馈控制与前馈控制的检测信号与控制信号有如下不同的特点。
反馈控制的依据是被控变量与给定值的偏差，检测的信号是被控变量，控制作用发生时间是在偏差出现以后。
前馈控制的依据是干扰的变化，检测的信号是干扰量的大小，控制作用的发生时间是在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现以后。
2、前馈控制是属于“开环”控制系统反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制系统是一个“开环”控制系统，这也是它们的基本区别。
前馈控制系统是一个开环系统，这一点从某种意义上来说是前馈控制的不足之处。
反馈控制由于是闭环系统，控制结果能够通过反馈获得检验，而前馈控制其控制效果并不通过反馈来加以检验。
因此、要想综合一个合适的的馈控制作用，必须对被控对象的特性作深入的研究和彻底的了解。
3、前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器—般的反馈控制系统均采用通用类型的PID控制器，而前馈控制要采用专用前馈控制器(或前馈补偿装量)4也11）2）3）4）5）（26）7）静态前馈控制只能保证被控变量的静态偏差接近或等于零，并不能保证动态偏差达到这个要求。
故必须考虑对象的动态特性，从而确定前馈控制器的规律，才能获得动态前馈补偿。
8）9）2、前馈－反馈控制10）11）将前馈控制和反馈控制结合起来，取长补短。
12）13）前馈－反馈控制系统方块图：14）15）16）前馈－反馈控制系统也有两个控制器，但在结构上与串级控制系统是完全不同的。
串级控制系统是由内、外两个控制回路所组成；而前馈－反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。
17）18）三、前馈控制的应用场合19）20）前馈控制主要的应用场合由下面几种。
化工自动化及仪表第八章复杂控制系统 第六节前馈控制系统
FT 被加热原料
FC
FC
FT
TC
+
TT
冷原油
燃料
T
TC
执行器
对象 c(t)
T
-
出口温度
TT
燃料油
8-25 加热炉前馈-反馈控制系统及方块图
(4) 前馈控制系统的应用
•前馈控制作用的选择
通过分析过程控制通道和扰动通道的反应快慢（的大 小）来合理选用。
①当T0 <<Tf 时，由于控制通道很灵敏，克服扰动能 力强，所以一般只要单纯用反馈控制就可达到满意的 控制质量，不必采用前馈控制。
燃料油
TT
TC
被加热原料
(b)
前
馈
控
T
制
出口温度
8-22 两
种
加
热
炉 反馈：偏
温 度
差会较大
控
制
系
统 前馈：偏
差较小
燃料油
R(t) TC
-
冷原油
燃料
执行器
对象 c(t)
TT
(a)反馈控制
反馈控制特点：
(1)是闭环控制系统 (2)控制滞后 (3)可克服所有扰动
ΔF
Δp FC
F
FT 冷原油
燃料
执行器
对象
第八章 复杂控制系统
必要性：
简单控制系统解决了大量的参数定值控制问题，也是 最基本、使用最广泛的一种形式。但是，随着生产过 程的大型化和复杂化，对操作条件的要求更加严格， 变量之间的关系更加复杂。另外，现代化生产对产品 质量提出了更高要求，生产过程中还有某些特殊要求， 如物料配比、前后生产工序的协调等问题，这些问题 用简单控制系统是不能解决的。需要引入更为复杂的 控制系统。
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。
8.1.1过程控制系统前馈控制169
为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思 路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。
例 针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统
蒸汽
FB
M
FT
冷物料 入口
换热器
冷凝水
热物料 出口
用方框图表示：
Gb(s)
Gb(s)FB
Gm(s) FT Q(s)
冷物料 入口
Gv(s) 蒸汽 M
Gv(s)
Go(s)
Gfs) 换热器
蒸汽 FB ∑ M
FT
冷物料 入口
换热器
冷凝水
TC
TT
热物料 出口
在前馈——反馈复合控制系统中，设定值X(s)、 干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为：
Y(s)
G0 (s)Gv (s)G c(s)
X (s)
1 G0 (s)Gv (s)Gc (s)GmT (s)
Gf (s) Go (s)Gv (s)Gb (s)GmF (s) F (s) 1 Go (s)Gv (s)Gc (s)GmT (s)
F(s)
GmF(s)
Gb(s)
Gf(s)
X(s) ＋
Gc(s) ＋ ＋ Gv(s) Go(s) ＋ ＋
Y(s)
－
GmT(s)
干扰通道的传递函数为：
Yf
(S)
Gf
(s) 1
Go (S)Gv (S)Gb (S)GmF (S) Go (s)Gv (s)Gc (s)GmT (S)
F
(s)
1、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明
冷凝水
Q(s) Gm(s)
Gfs)
＋＋
Go(s)
Y(s)
Y(s) 热物料 出口
前馈控制系统PPT课件
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）
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➢单纯的前馈控制系统的缺点
Gff
SP2
F C
Fs
B2
B1
X
T C
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。
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➢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
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控制类型
➢单纯的前馈控制系统 ➢前馈-反馈复合控制系统 ➢前馈-串级复合控制系统
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➢单纯的前馈控制系统
X(t)
Y (t) X (t) • G ff (t) • Go (t) X (t) • G f (t)
Gff(t)
Gf(t)
Y (t)
Y(t) X (t) G ff (t) • Go (t) G f (t) 0
基本概念
换热器控制模型
控制要求：热流体出口温度T2稳定
被控变量：热流体出口温度T2
控制变量：蒸汽流量Fs
主要扰动：冷流体流量F1、
冷流体入口温度T1、 冷流体
蒸汽压力P0
F1，T1
蒸汽 P0，BF1 s
前馈控制系统设计
目录一、前馈控制系统设计1、前馈控制系统选择原则1.1 扰动量可测不可控原则...。
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.2 1。
2 控制系统精确辨识原则.。
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21.3被控系统自衡原则。
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.31。
4 优先性原则。
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31。
5 经济性原则。
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.42、工程整定2。
1 整定的总体原则2。
1。
1 稳定性.。
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.42。
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2快速性。
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3 反馈控制的静差。
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53、前馈—反馈复合系统工程整定.。
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5二、实例仿真.。
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1前馈控制系统整定。
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72.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。
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72。
3、反馈控制系统整定。
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82.4、系统仿真.。
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在含有反馈控制的前馈-反馈复合控制系统中，反馈控制整定的内容主要是确定控制器的形 式及参数。目前，虽然在过程控制中不断有各种先进的控制算法的应用报道。但至今占过程 控制 90%以上份额的控制系统仍然采用 PID 控制调节器。本书的反馈控制器也采用 PID 控制 调节器。 2．整定的总体原则 前馈控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性和反馈控制的静差问题。 （1）稳定性 稳定性是控制系统正常工作的首要条件。对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况， 更涉及干扰扰动问题。 （2）快速性 应保证系统响应的快速性。 （3）反馈控制的静差 在稳态时，反馈控制应能较好地反应系统的控制要求，应做到系统响应和控制要求的一致， 故系统跟踪不应存在静差。
与反馈控制相比，前馈控制很好的弥补了反馈控制的一些缺点。前馈控制是针对扰 动量及其变化进行控制的。
8.1.1 系统结构
幻灯片 4 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.1 系统结构
Gd
Gf G2
Y （XGpG1G2G3 MGf）G3 1 FGpG1G2G3
干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈的控制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。 幻灯片 5 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.2 系统特点 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。
幻灯片 1
幻灯片 2 本章内容与 目录
《过程控制系统仿真》
电子工业出版社 出版 2009.3 作者：郭阳宽 王正林
联系邮箱：wa_2003@
本章描述了前馈控制系统的基本概念，介绍了前馈控制的基本特点、前馈控制系统的设 计以及前馈控制系统控制器参数整定等基础知识，并通过综合实例的 Simulink 仿真分 析讲述前馈控制系统的特点、设计及整定。
通过本章，读者对前馈控制的特点、前馈控制系统的作用有较全面的认识，并熟练 通过 Simulink 分析深化对前馈控制的理解。
8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.1 系统结构 8.1.2 系统特点 8.1.3 系统分类
8.2 前馈控制系统设计 8.3 综合仿真实例
本章小结
幻灯片 3 8.1 前馈控制系统基础知识
k
幻灯片 13 8.1 前馈控制系统基础知识
k
(具体内容请参阅教材) 幻灯片 14 8.2 前馈控制系统设计 8.1 前馈控制系统基础知识
8.2 前馈控制系统设计 8.2.1 前馈控制系统选用原则 8.2.2 工程整定
8.3 综合仿真实例 本章小结
幻灯片 15 8ห้องสมุดไป่ตู้2 前馈控制系统设计 8.2.1 前馈控制系统选用原则 【原则 1】：扰动量可测不可控原则
另外，利用得到的数学模型所求的动态前馈调节器，往往由于可实现性、经济性等 方面的考虑，在系统控制精度允许的情况下，也要作适当的调整。
所以，实际上动态前馈补偿是有限的，并不能消除由于干扰引起的全部误差。 静态前馈控制是动态前馈控制的特例。但是动态前馈控制系统的结构比较复杂， 系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控制装置。只有当工艺要求控制品质 很高时，才使用动态前馈控制方案。 幻灯片 8 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.3 系统分类 【例 8-3】精馏塔的动态前馈控制 某精馏塔的动态前馈控制系统及其控制方框图如图 8.8 所示。其中输出物料浓度为被控制 对象，蒸汽流量为控制量，物料流量为系统的主要干扰因素。
8.3.1 静态前馈系统仿真 8.3.2 动态前馈系统仿真 8.3.3 前馈-反馈复合系统仿真 8.3.4 前馈-串级复合系统仿真 8.3.5 参数摄动对系统影响仿真 本章小结
幻灯片 19 8.3 综合仿真实例 8.3.1 静态前馈系统仿真
(具体内容请参阅教材) 幻灯片 20 8.3 综合仿真实例 8.3.2 动态前馈系统仿真
3．静态前馈系统工程整定 静态前馈控制系统的工程整定方法主要有两种方法： (具体内容请参阅教材) 幻灯片 17 8.2 前馈控制系统设计 8.2.2 工程整定 4．动态前馈系统工程整定 (具体内容请参阅教材) 整定分成静态前馈系数整定、时间常数整定两步。 5．前馈-反馈复合和前馈-串级复合系统工程整定
反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存在反馈控制。当然，只要 存在偏差，控制系统就不可能保持在理想控制要求上，而是在理想要求附近摆动。所以， 反馈控制是接近理想要求，但永远也无法保持理想要求的控制。
当被控对象呈现大延迟（如含有较大的容积延迟或纯延迟）或所受干扰较多，干扰 频率较高，要求系统快速反应实现控制目的时，反馈控制系统的控制效果往往不够理想。
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。 幻灯片 6 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.3 系统分类 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。 1．静态前馈控制系统 静态前馈控制系统的方框图有如图 8.5 所示的两种情况。
(具体内容请参阅教材)
(具体内容请参阅教材)
(具体内容请参阅教材)
(具体内容请参阅教材) 幻灯片 24 本章小结 本章主要讲述了前馈控制系统的基本理论、设计方法和仿真方法： （1）基础知识部分 深入细致讲述了前馈控制系统的结构原理、前馈控制系统与反馈控制系统在原理及应用上的 区别、优缺点；总结了前馈控制系统的特点，利用实例对各种类型的前馈控制系统（静态前 馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制、前馈-串级复合控制）进行了分析，明确了各 种前馈控制系统的基本概念、应用要求及应用场合。 （2）系统设计部分 系统讲述了前馈控制系统的选择原则，为选择使用前馈系统提供了指导；讲述了反馈控制器 形式的选择问题和前馈控制系统的整定原则，并通过详细的分析对各种前馈控制系统及关键 参数的整定方法进行了细致讲解和说明。 （3）综合实例部分 通过大量实例对各种前馈控制系统的整定过程进行了详尽的 Simulink 仿真分析和对比，并 对参数摄动进行了仿真分析。
压
烘
检
榨
干
测
部
部
部
中间控制
白水池
后 烘 干 部
涂 布 机
浓 流定
浆
度 量量
池
白水 浆
冲浆泵
浓流 定 浆泵 度 量 量
计计 阀
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(具体内容请参阅教材) 幻灯片 11 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.3 系统分类 4．前馈-串级复合控制系统 当系统情况复杂时，为了进行更为“精细”的控制，常把系统的主要干扰用前馈系统抑制， 对中间变量采用内环反馈控制，对系统控制量采取外环反馈控制。这样所构成控制系统即为 前馈-串级复合控制系统，其框图如图 8.12 所示。
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(具体内容请参阅教材) 幻灯片 9 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.3 系统分类 3．前馈-反馈复合控制系统 由前述分析知，反馈控制是针对系统全部干扰进行补偿，是在被控制量“变化了”的基础上 的“滞后补偿”；而前馈控制则是针对系统的某种特定干扰而进行的补偿，是在被控制量“未 变化前”提前进行的“超前补偿”。 而实际系统的干扰情况往往非常复杂，对所有干扰因素采用前馈控制是不可能的，在要求精 度较高时，完全采用反馈控制又难以实现系统的控制要求。 此时，常利用前馈和反馈的优点组成控制系统——前馈-反馈复合控制系统实现控制过程的 高精度控制要求。 前馈-反馈复合控制系统结构有两种形式。
(具体内容请参阅教材) 幻灯片 21 8.3 综合仿真实例 8.3.3 前馈-反馈复合系统仿真
(具体内容请参阅教材)
(具体内容请参阅教材) 幻灯片 22 8.3 综合仿真实例 8.3.4 前馈-串级复合系统仿真
(具体内容请参阅教材) 幻灯片 23 8.3 综合仿真实例 8.3.5 参数摄动对系统影响仿真
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幻灯片 10 8.1 前馈控制系统基础知识 8.1.3 系统分类 【例 8-4】前馈-反馈复合控制在高档白板纸绝干量控制中的应用 白板纸的结构和普通纸的单层浆不同，由面层、衬层、芯层和底层 4 层浆复合而成。图 8.10 为白板纸控制系统的原理简图。
总控制系统
浓度 流量 流量设定值 蒸发箱
网带
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： 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； 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。 (具体内容请参阅教材) 幻灯片 18 8.3 综合仿真实例 8.1 前馈控制系统基础知识 8.2 前馈控制系统设计 8.3 综合仿真实例