前馈、反馈、三冲量控制介绍

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。而在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭合环路，因此称其为“开环”控制系统。 2．前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量

在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。

3．前馈需要专用调节器，反馈一般只要通用调节器

由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。

4．前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰

前馈控制系统中若干扰量都不可测量，前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中，任何干扰，只要它影响到被控变量，都能在一定程度上加以克服。

5．前馈理论上可以无差，反馈必定有差

如果系统的干扰数量很少，前馈控制可以逐个测量干扰，加以克服，理论上可以做到被控变量无差。而反馈控制系统，无论干扰的多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。

三、多冲量控制系统

多冲量控制是在锅炉控制中沿用至今的一个习惯用语，这里的冲量就是指变量，多冲量就是多个变量。实际上在许多复杂控制系统中都涉及到多个变量，但均未称为多冲量控制。锅炉控制中所指的多冲量控制系统是特指锅炉汽包的液位控制系统，它实际上就是前馈-反馈控制系统，并不是与串级、分程等类型并列的一种控制系统。但由于锅炉汽包液位控制面广量大，较为重要，在此特别给予介绍。

1．单冲量控制

如图8-38所示是一个锅炉汽包液位的单冲量控制系统。显然，这是一个简单控制系统，可以用于蒸汽负荷较稳定、控制品质要求不高的场合。

当蒸汽负荷变化频繁且幅度较大时，单冲量控制不能有效地进行控制。如蒸汽负荷突然增大许多时，汽包内蒸汽压力突然下降，水中的气泡迅速增加，将液位“虚假”提高，造成“假液位”。控制系统按此“假液位”将给水阀门关小，致使汽包液位异常波动，严重时会造成事故。根据实际情况，负荷增加，应该增加供水量。单冲量控制不能很好地做到这一点。

2．双冲量控制系统

根据前馈控制的思想，把蒸汽作为干扰，以这个干扰量的变化来控制给水量，构成前馈控制。蒸汽前馈与原来的汽包液位反馈控制组成前馈一反馈控制系统，这里也称为双冲量控制系统。如图8-39所示。

图中，当蒸汽负荷增大时，F增加，b增加，C减小，阀门开大，给水流量增加，能很好地克服蒸汽负荷这个干扰，是前馈控制。LC仍然起原来单冲量控制系统的作用，液位增加，调节器输出a增加，c增加，阀门关小，给水流量减小，汽包液位回降。

在实际的锅炉系统中，供水压力也是一个主要的干扰源，供水压力变化时，将引起液位的波动，双冲量控制也不够及时有效。因此，要增加给水流量的测量与控制系统。

3．三冲量控制

如图8-40所示是一种锅炉三冲量液位控制系统，它是一个前馈-反馈控制系统，图8-41是另一种结构的锅炉三冲量液位控制系统。从图8-41可以清楚地看到，它是一个前馈-串级反馈控制系统。