过程控制第5章前馈控制系统xu
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过程控制前馈系统33页PPT
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
过程控制前馈系统
36、如果我们国家的法律中只有某来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
过程控制前馈系统
36、如果我们国家的法律中只有某来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
过程控制系统第五章 前馈控制系统
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。
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。
（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，
（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”。
前馈控制系统PPT课件
系统中存在着可测、不可控、变化频率频繁、幅值大且对被控变量 有显著影响的干扰，采用前馈控制系统可大大提高控制品质。
系统中主要干扰比较多，且对执行器要求严格，可采用前馈-串级控 制系统提高控制效果。
对于无自平衡能力的生产过程，不单独使用前馈控制。
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➢前馈-反馈复合控制系统
Gff
T C
SP
B2
B1
输入X： 冷流体流量F1
输出Y： 热流体出口温度
换热器前馈-反馈复合控制系统
当输入X变化时,通过前馈控制器Gff补偿扰动对输出Y的影响，同时反馈控制回路 反馈其他干扰对输出Y的作用，并通过控制变量进行校正，这两个校正作用叠加，使Y
尽快回到设定值。
Y
-Y 被控变量
前馈控制器是通过测量扰动来消除扰动对被控变量的影响。 当干扰发生时，前馈控制器动作及时，通过前馈调节器改变的量刚好补偿干 扰对对象的影响。 反馈控制属于开环控制，只要系统中各个环节稳定，控制系统必然稳定。 只适合于可测不可控的扰动。
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➢前馈控制与反馈控制的比较
前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制。 对于抑制干扰，前馈比反馈要及时。 前馈属于开环控制系统，反馈属于闭环控制系统。 一种前馈控制只能控制一个干扰，反馈控制只用一个控制器就可以克服 多个干扰。 前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制器采用 通用PID控制器。
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
系统中主要干扰比较多，且对执行器要求严格，可采用前馈-串级控 制系统提高控制效果。
对于无自平衡能力的生产过程，不单独使用前馈控制。
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➢前馈-反馈复合控制系统
Gff
T C
SP
B2
B1
输入X： 冷流体流量F1
输出Y： 热流体出口温度
换热器前馈-反馈复合控制系统
当输入X变化时,通过前馈控制器Gff补偿扰动对输出Y的影响，同时反馈控制回路 反馈其他干扰对输出Y的作用，并通过控制变量进行校正，这两个校正作用叠加，使Y
尽快回到设定值。
Y
-Y 被控变量
前馈控制器是通过测量扰动来消除扰动对被控变量的影响。 当干扰发生时，前馈控制器动作及时，通过前馈调节器改变的量刚好补偿干 扰对对象的影响。 反馈控制属于开环控制，只要系统中各个环节稳定，控制系统必然稳定。 只适合于可测不可控的扰动。
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➢前馈控制与反馈控制的比较
前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制。 对于抑制干扰，前馈比反馈要及时。 前馈属于开环控制系统，反馈属于闭环控制系统。 一种前馈控制只能控制一个干扰，反馈控制只用一个控制器就可以克服 多个干扰。 前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制器采用 通用PID控制器。
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
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
过程控制原理复习提纲
调节器进行状态转换后，输出值不发生跳动，即状态转换无冲 击。
-15 什么是调节器的正作用、反作用？在电路中是如何实现的？ 正作用： 偏差=测量值-给定值 反作用 偏差=给定值-测量值，
2）运放输入端的切换开关实现的。
3-18 给出实用的PID数字表达式，数字仪表中常有哪些改进型PID算 法？ PID运算算式：
调节阀的工作流量特性 在实际的工艺装置上，调节阀由于和其他阀门、设备、管
道等串联使用，阀门两端的压差随流量变化而变化，这时的流量特性称 为~。
4-8 什么叫气动调节阀的气开式与气关式？其选择原则是什么？
气开式：无压力信号时阀全闭，随压力信号增大，阀门逐渐开大的气 动调节阀。
气关式：无压力信号时阀全开，随压力信号增大，阀门逐渐关 小的气动调节阀。
六、系统阶跃响应的单项性能指标：
（1） 衰减比n、衰减率
（2）最大动态偏差A和超调量
（3）残余偏差C（4）调节时间Ts和振荡频率w
系统阶跃响应的综合性能指标：
（1） 偏差积分IE (2)绝对偏差积分IAE （3）
平方偏差积分ISE （4）时间与绝对偏差乘
积积分ITAE
第一章课后题； 1-1 过程控制哪些特点？ 见第1页二题。
比例度P的物理意义：使控制器的输出变化满量程时（就是控制阀从全 关到全开或相反），相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比。 P=1/Kp ,P越小，Kp越大，控制能力越强。 比例控制的优点;控制及时、反应灵敏、偏差越大、控制力度越大、但 控制结果存在余差。
DDZ-Ⅲ型仪表的特点 （1） 现场传输信号为DC 4~20mA,控制室联络信号为DC 1~5 V， 信号电流与电压的转换电阻为250欧。信号优点是电气零 点不是从零开始，而是从4mA开始，容易识别断电、断线 等故障。同样，因为最小电流不为零，为现场变送器实现 两线制创造了条件。现场变送器与控制室仪表仅用两根线 联系，DC 4~20mA既反映了信号又为现场总线提供了能 源，避免强电进入现场，有利于安全防爆。 （2） 广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度高、可靠性提 高、维修工作量较小。
5.前馈控制系统-过程控制(自动化)
FC
蒸汽 HV, RV 工艺介 质
稳态工作点：T1=20℃， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180℃。 假设：T2温度测量变送的量 程为100-300℃，RV和RF的 量程分别为0 ~ 5 T/hr和0 ~ 25 T/hr。
cp, RF , T1 冷凝液
T2
换热器的线性前馈控制
结论
引入前馈控制的可能应用场合：
常规反馈控制系统难以满足要求； 干扰可测。 主要被控量不可测
应用前馈控制的前提条件：
主要干扰可测； 调节阀与被测干扰之间没有因果关系； 干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； 干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
换热器的前馈控制方案
蒸汽 FF
HV, RV
工艺 介质
RF
cp, RF , T1
凝液
T2
前馈控制的思想
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
u
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。
换热器反馈控制系统举例
(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 1
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 2
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)
前馈＋反馈控制的仿真
6.3s 1 % GFF ( s) 0.975 exp 0.3s 3s 1 %
蒸汽 HV, RV 工艺介 质
稳态工作点：T1=20℃， RF=10 T/hr，RV=2T/hr， Kv=800，T2=180℃。 假设：T2温度测量变送的量 程为100-300℃，RV和RF的 量程分别为0 ~ 5 T/hr和0 ~ 25 T/hr。
cp, RF , T1 冷凝液
T2
换热器的线性前馈控制
结论
引入前馈控制的可能应用场合：
常规反馈控制系统难以满足要求； 干扰可测。 主要被控量不可测
应用前馈控制的前提条件：
主要干扰可测； 调节阀与被测干扰之间没有因果关系； 干扰通道的响应速度比控制通道慢，至少应接近； 干扰通道与控制通道的动态特性变化不大。
副变量需要满足：
快速反应主要干扰的影响 干扰对副、主变量的影响具有因果关系 调节阀对副、主变量的影响具有因果关系
NO!
无法采用串级控制！
换热器的前馈控制方案
蒸汽 FF
HV, RV
工艺 介质
RF
cp, RF , T1
凝液
T2
前馈控制的思想
D1 前馈 控制器 对象 y Dn
u
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。
换热器反馈控制系统举例
(参见模型…/FFControl/ExHeaterPID.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 1
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID1.mdl)
换热器前馈反馈控制系统 2
(参见模型…/FFControl/ExHeaterFFC_PID2.mdl)
前馈＋反馈控制的仿真
6.3s 1 % GFF ( s) 0.975 exp 0.3s 3s 1 %
第 5章 前馈控制系统
ff
( S ) G PC ( S )
1 G C ( S ) G PC ( S )
应用不变性条件：
F ( S ) 0, 0
可推导出前馈控制器的传递函数：
G PD ( S ) G G
ff ff
( S ) G PC ( S ) 0
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
F c p ( 1 2 ) F S h S
FS
Gff Mff
F
θ
2
θ
1
F c p ( 1 2 ) F S h S
Cp—物料的比热容 hs—蒸气的汽化潜热
FS F cp hS ( 1 i
2
)
由上式可求得，静态前馈控制方程式为：
FS F cp hS ( 1 i
• 本系统不但能通过串级副回路及时克服给 水流量的干扰，而且还能实现对蒸汽负荷 的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等 于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不 变。
5.5 前馈控制系统的参数整定
5.5.1 Kf的整定 5.5.2 T1、T2的整定
5.5.1 Kf的整定
重要性：如果正确的选择Kf，也就能正确地决定阀 位。如果Kf过大，则相当对反馈控制路施加了干扰， 将会输出错误的静态前馈输出。 Kf的整定方法： （1）开环整定方法： 开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单 纯静态前馈状态下，施加干扰， Kf 由小逐步增大， 直到被控变量回到给定值，此时Kf 为最佳值。
一个固定的前馈 模型难以获得良好的 控制品质。为了解决 上述局限性，将前馈 与反馈相结合，构成 前馈—反馈控制系统 （FFC-FBC）
TC Gff θ F Σ
( S ) G PC ( S )
1 G C ( S ) G PC ( S )
应用不变性条件：
F ( S ) 0, 0
可推导出前馈控制器的传递函数：
G PD ( S ) G G
ff ff
( S ) G PC ( S ) 0
(S )
G PD ( S ) G PC ( S )
F c p ( 1 2 ) F S h S
FS
Gff Mff
F
θ
2
θ
1
F c p ( 1 2 ) F S h S
Cp—物料的比热容 hs—蒸气的汽化潜热
FS F cp hS ( 1 i
2
)
由上式可求得，静态前馈控制方程式为：
FS F cp hS ( 1 i
• 本系统不但能通过串级副回路及时克服给 水流量的干扰，而且还能实现对蒸汽负荷 的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将等 于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不 变。
5.5 前馈控制系统的参数整定
5.5.1 Kf的整定 5.5.2 T1、T2的整定
5.5.1 Kf的整定
重要性：如果正确的选择Kf，也就能正确地决定阀 位。如果Kf过大，则相当对反馈控制路施加了干扰， 将会输出错误的静态前馈输出。 Kf的整定方法： （1）开环整定方法： 开环整定是在反馈回路断开，使系统处于单 纯静态前馈状态下，施加干扰， Kf 由小逐步增大， 直到被控变量回到给定值，此时Kf 为最佳值。
一个固定的前馈 模型难以获得良好的 控制品质。为了解决 上述局限性，将前馈 与反馈相结合，构成 前馈—反馈控制系统 （FFC-FBC）
TC Gff θ F Σ
前馈控制系统
EMBED Equation.3 时，要求 EMBED Equation.3 （2.4-2）
将（1-2）式代入（1-1）式，可得
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 （2.4-3）
图2.4-8 换热器的前馈—反馈控制系统 图2.4-9 前馈—反馈控制系统方块图
图2.4-9所示前馈—反馈控制系统的传递函数为
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 （2.4-8）
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
如果系统中的干扰数量很少，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。
图2.4-10 前馈—串级控制系统
图2.4-11 前馈—串级控制系统方框图
EMBED Equation.3
（2.4-10）
前馈控制系统
前馈控制系统的基本原理
前馈控制的基本概念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，使受控变量维持在设定值上。图2.4-1物料出口温度 EMBED Equation.3 需要维持恒定，选用反馈控制系统。若考虑干扰仅是物料流量 EMBED Equation.3 ，则可组成图2.4-2前馈控制方案。方案中选择加热蒸汽量 EMBED Equation.3 为操纵变量。
将（1-2）式代入（1-1）式，可得
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 （2.4-3）
图2.4-8 换热器的前馈—反馈控制系统 图2.4-9 前馈—反馈控制系统方块图
图2.4-9所示前馈—反馈控制系统的传递函数为
EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3 （2.4-8）
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
如果系统中的干扰数量很少，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。
图2.4-10 前馈—串级控制系统
图2.4-11 前馈—串级控制系统方框图
EMBED Equation.3
（2.4-10）
前馈控制系统
前馈控制系统的基本原理
前馈控制的基本概念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，使受控变量维持在设定值上。图2.4-1物料出口温度 EMBED Equation.3 需要维持恒定，选用反馈控制系统。若考虑干扰仅是物料流量 EMBED Equation.3 ，则可组成图2.4-2前馈控制方案。方案中选择加热蒸汽量 EMBED Equation.3 为操纵变量。
《前馈控制系统》课件
前馈控制系统的设计原则
01
明确控制目标
在设计前馈控制系统时，需要明 确控制目标，即期望的输出信号
。
03
优化控制性能
通过调整系统参数，优化控制性 能，使系统达到最佳的控制效果
。
02
确定系统参数
根据被控对象的特性，确定合适 的系统参数，如增益、时间常数
等。
04
考虑安全性和可靠性
在设计前馈控制系统时，需要考 虑系统的安全性和可靠性，确保 系统能够稳定、安全地运行。
前馈控制系统研究的挑战
1
前馈控制系统的鲁棒性和自适应性是研究的难点 之一，需要解决不同工况下的鲁棒控制问题。
2
前馈控制系统的优化设计也是研究的难点之一， 需要综合考虑控制精度、响应速度和系统稳定性 等因素。
3
前馈控制系统的实现和应用还需要解决实际工程 中的一些问题，例如系统集成、调试和维护等。
前馈控制系统的发展趋势
特点
前馈控制系统主要关注输入信号的测 量和计算，以及对输出信号的预处理 或预控制，而不是依赖于反馈信号来 调整系统输出。
前馈控制系统的特点
快速响应
精度高
由于前馈控制系统的预处理或预控制特性 ，它能够在干扰发生前对其进行补偿，因 此系统对干扰的响应速度较快。
通过精确测量和计算输入信号，前馈控制 系统能够减小或消除干扰对系统输出的影 响，从而提高系统的控制精度。
适用范围广
计算复杂度高
前馈控制系统适用于各种类型的干扰，如 温度、压力、速度等，因此其应用范围较 广。
前馈控制系统需要对输入信号进行测量和 计算，因此其计算复杂度较高，需要高性 能的控制器或计算机支持。
前馈控制系统与反馈控制系统的比较
控制方式
第五章2 前馈-反馈控制系统PPT课件
Kf
T1s 1 es 的微分表示形式为：
T2s 1
T2
du f (t) dt
uf
(t)
K
f
[T1
dF (t dt
)
F (t
)]
用差分方程来代替微分方程时：
Ts：采用周期。
du f (t) dt
|t kTs
u
f
(k
1) Ts
u
f
(k)
dF (t dt
f
)
|t kTs
F (k
1
df ) Ts
F (k
b) Kf过小的欠补偿过程；
d) Kf过大的过补偿过程；
东北大学
第二种方法：利用反馈系数整定Kf。 系统正常运行后，断开S，继续稳态运行，则整定步骤如下：
整定过程需要注意两点： 1）反馈控制器必须具有积分作用，否则在干扰作用下无法消除被控变量的余差； 2）要求工况稳定，以免其他干扰的影响。
东北大学
d
f
)
式中d f / Ts
经过整理可得前馈控制差分算式：
u f (k 1) a2u f (k ) H [F (k 1 d f ) a1F (k d f )]
式中，H
K f
T1 T2
;
a2
1
Ts T2
;
东北大学
a1
1
Ts T1
5.2.4 前馈控制系统参数整定
东北大学
东北大学
东北大学
/ T2 )
1
(
1 a
1)et
aT1
，这里
a
T1
T2
东北大学
当a>1，T1>T2, 前馈补偿器具有滞后性，适用于控制通道滞后小于干扰通道的场合； 当a<1，T1<T2, 前馈补偿器具有超前性，适用于控制通道滞后大于干扰通道的场合。
《前馈控制系统》课件
总结
前馈控制系统的作用
通过提前处理输入信号来减小受控对象对外部扰动的敏感性，提高系统的稳定性和性能。
前景和趋势
前馈控制系统将逐渐实现智能化、集成化和网络化，为各个领域的应用带来更多可能性。
应用前景展望
在工业自动化、航空航天和汽车控制等领域，前馈控制系统将发挥越来越重要的作用。
5
仿真与实验验证
使用仿真软件或实际系统进行验证，评估控制系统的性能和稳定性。
前馈控制系统的发展趋势
智能化
结合人工智能和机器学习技术， 实现自适应、自学习的前馈控 制系统。
集成化
将前馈控制系统集成到更复杂 的自动控制系统中，实现系统 的优化和整合。
网络化
通过网络连接，实现远程监控 和控制，提高实时性和灵活性。
2 缺点
对于系统模型和参数变化敏感，需要准确的 系统建模和参数设计。
前馈控制系统的设计方法
1
确定控制目标
明确希望系统实现的性能指标和控制要求。
2
确定系统模型
建立准确的系统数学模型，包括受控对象和控制器。
3
设计前馈和反馈控制器
根据系统模型和控制要求设计前馈和反馈控制器。
4
确定控制器参数
通过仿真和实验验证，调整控制器参数以达到预期的控制效果。
《前馈控制系统》PPT课 件
本课件将介绍前馈控制系统的定义、特点以及其在工业自动化、航空航天和 汽车控制等领域的应用。了解前馈控制系统的结构和设计方法，并展望其未 来的发展趋势。
什么是前馈控制系统？
前馈控制系统是一种用于实现预定输出的控制系统。它通过提前处理输入信号，减小受控对象对外部扰动的敏 感性，提高系统的稳定性和性能。
工业自动化
前馈控制系统可用于工业生 产过程的自动化控制，提高 生产效率和质量。
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
过程控制-第5章-前馈控制系统-xu
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
对象
④只对被测量的可测而不可控的扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。 即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，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
FS N W ff
X
Y2
cp hS
( X Y2 ), X 设定温度
cp hS
Σ
Mff FS
-
× N
×
FC
Cp/hS
Y
静态前馈控制原理图
2、 前馈-反馈复合控制系统
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。
?前馈基于干扰控制反馈基于偏差控制?抑制干扰前馈控制比反馈控制及时有效?前馈控制属于开环控制系统反馈控制是闭环控制系统?前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器反馈控制采用通用pid控制器?一种前馈控制只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合??系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰这些干扰对被控参数影响显著单用反馈控制达不到质量要求时
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
对象
④只对被测量的可测而不可控的扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。 即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，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器
执行器
Y1
-Y1 被控变量
FS N W ff
X
Y2
cp hS
( X Y2 ), X 设定温度
cp hS
Σ
Mff FS
-
× N
×
FC
Cp/hS
Y
静态前馈控制原理图
2、 前馈-反馈复合控制系统
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Wo(s)和Wf(s)的变化。
?前馈基于干扰控制反馈基于偏差控制?抑制干扰前馈控制比反馈控制及时有效?前馈控制属于开环控制系统反馈控制是闭环控制系统?前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控制器反馈控制采用通用pid控制器?一种前馈控制只能克服一种干扰反馈控制只用一个控制器就可克服多个干扰前馈控制的应用场合??系统中存在着可测但不可控的变化幅度大且频繁的干扰这些干扰对被控参数影响显著单用反馈控制达不到质量要求时
过程控制系统 第5章
采用线性流量检测单元情况
采用线性流量检测单元情况时，只有在F1max=F2max的场 合，k=K。在同样的比值k下，通过调整F1max,F2max亦可 以改变比值。 采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相 除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算： 一般标准公式：输入信号=仪表量程范围×K + 零点 在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪表可直接设 置仪表比值系数K。 在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值系数K大于1， 则除法器的输入信号更换，即主动量信号作为被除数信号， 从动量信号作为除数信号。
(a)
(b)
图 5-1 加热炉出口温度控制系
(c)
该系统的被控变量是出口温度，用燃料气作为操纵变量。 可以组成图5-1（a）所示的简单控制系统。因为加热炉炉管等热 容较大，控制不够及时。 如果改用图5-1（b）所示的流量控制系统，则对温度来说是开环 的，此时对于阀前压力等扰动，可以迅速克服，但对进料负荷， 燃料气热值变化等扰动，却完全无能为力。 人们日常操作经验是：当温度偏高时，把燃料气流量控制器的设 定值减少一些；当温度偏低的时候，燃料气流量控制器的设定值 应该增加一些。按照上述操作经验，把两个控制器串接起来，流 量控制器的设定值由温度控制器输出决定，即流量控制器的设定 值不是固定的,系统结构如图5-1（c）所示。这样能迅速克服影响 流量的扰动作用，又能使温度在其它扰动作用下也保持在设定值， 这就是串级控制系统。
5.1.4 串级控制系统控制器参数的 整定
串级控制系统常用的控制器参数整定方法有三 种：
逐步逼近法 两步法 一步法
对新型智能控制仪表和DCS控制装置构成的串 级控制系统，可以将主控制器选为具备自整定 功能。
第 5章 前馈控制系统
• 所谓“虚假水位”即在燃料量不变的情况下，当 蒸汽用量（即负荷）突然增加时，会使汽包内的 压力突然降低，水的沸腾加剧，加速汽化，汽泡 量也突然增加，由于汽泡的体积比水的体积大很 多倍，结果形成了汽包内水位升高的假象。反之， 当蒸汽用量突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧上 升，水的沸腾暂时停止，结果造成水位瞬时下降 的假象。对于“虚假水位”，在系统设计时常作 如下考虑，即采用蒸汽流量为前馈信号，汽包水 位（主参数）和给水流量（副参数）串级，构成 前馈—反馈串级控制系统，如图所示。
α =T1/T2
1.当α >1时，即 T1> T2,前馈 补偿带有超前性，适用于对 象控制通道滞后大于干扰通 道滞后。 2.当α <1时，即 T1<T2,前馈 补偿带有滞后性，适用于对 象控制通道滞后小于干扰通 道滞后。
T1>T2（超前）
T1<T2（滞后）
5.4 前馈控制系统的应用
前馈控制系统的应用原则： （1）对象的滞后或纯滞后（控制通道）较大，反 馈控制难以满足工艺要求，可以采用前馈控制 把主要干扰引入前馈控制，构成前馈-反馈控制 系统。 （2）系统中存在着可测、不可控、变化频繁、幅 值大且对被控变量影响显著的干扰，可采用前 馈控制大大提高控制品质。 （3）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系， 则需要通过建立数学模型来实现控制。 在决定选用前馈控制方案后，当静态前馈 能满足工艺要求时，不必选用动态前馈。
G PD s
K2 T2 s 1
e
1 s
G PC
T1 s 1
f
s
s
K1 T1 s 1
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2 s
G
ff
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G PC S
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第五章 前馈控制系统设计
第三章 单回路控制系统设计
第四章 串级控制系统设计
都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的 输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时， 输出必然有波动。
有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响 输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？
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1
此控制具有以下特征：
偏差 反馈控制器
设定
干扰
执行器 对象
测量变送
被控变量
完整版课件ppt
6
2、前馈控制
Feedforward control 简称FFC
当扰动一旦出现，调节器就根据扰动的大小和性质进 行控制，补偿扰动对系统的影响，使被控参数不变。
例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动—突然增加
这种直接根据造成偏差 原因--扰动进行的控制 称为前馈控制
完整版课件ppt
7
前馈控制：
当冷流体流量增加 N 时，其对
输出温度影响假如为Y1，当 其一产生，即改变蒸汽流量 Fs ，
使得蒸汽 Fs 对输出温度影响为 -Y1，那么输出温度就不会变化。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈调节器 执行器
Y1 -Y1 被控变量
对象
通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好 补偿干扰对对象的影响。
Y2(s)
N(s)
Y(s)
Wff(S)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wo(S)
+
Y2(s)
前馈控制
前馈控制方框图
完整版课件ppt
16
F Wff
Y2(s)
N Y1(s)
Y(s)
N ΔN
y
t
y1(t)
t
前馈控制
N(s)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
y2(t)
y1(t)+ y2(t)=0
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10
前馈控制与反馈控制比较
偏差
设定
反馈控制器
干扰
执行器 对象
测量变送
被控变量
测量变送器 前馈控制器 执行器
干扰
干扰通道 Y1 -Y1 被控变量
对象
完整版课件ppt
11
特点比较：
前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制 抑制干扰，前馈控制比反馈控制及时有效 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控
被控变量
反馈控制特点：
当干扰已经发生，但是被控参数尚未变化， 偏差 =0，则控制器不产生调节作用。 例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动
完整版课件ppt
5
反馈控制总要滞后扰动，是一种不及时的控制。
反馈控制是闭环控制，存在稳定性问题。
对闭环回路中扰动都有调节作用。
调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。
在扰动影响输出前进行调节。
直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完 全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。
前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制
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2
本章内容
1 前馈控制的基本概念 2 前馈控制器的设计 3 前馈-反馈，前馈-串级复合控制系统 4 前馈控制系统的应用原则 5 前馈控制系统的参数整定 6 前馈控制系统典型应用
制系统 前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控
制器，反馈控制采用通用PID控制器 一种前馈控制只能克服一种干扰，反馈控制只用
一个控制器就可克服多个干扰
完整版课件ppt
12
前馈控制的应用场合
系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的 干扰，这些干扰对被控参数影响显著，单用反馈控制 达不到质量要求时。
当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制 不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控 制系统 。
完整版课件ppt
13
2 前馈控制器的设计
不变性原理是前馈控制的理论基础。
一、不变性原理
不变性原理指控制系统的被控量与扰动量完全无 关，或在一定准确度下无关。
即 :当 N (t)0 时Y(， t)0
完整版课件ppt
3
1 前馈控制的基本概念
前馈控制是相对于反馈控制而言的。
1、反馈控制： Feedback control 简称FBC
反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差，控 制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响
完整版课件ppt
4
——基于偏差的控制
偏差 反馈控制器
设定
干扰
执行器
对象
测量变送
前馈控制系统补偿过程
前馈控制方框图
即 :当 N (t)0 时Y(， t)0
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17
2．稳态不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统在稳态偏差 与扰动无关。即静态偏差为0，动态不为0。
动态偏差 不为0
y1(t)
静态偏差 为0
系统输出y(t) y2(t)
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18
3．ε不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统偏差小于一
个小量，用ε表示。
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
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19
二、前馈控制器的设计
1）输出Y(s)与扰动N(s)之间关系：
Wf (S)：扰动通道传函 Wff (S)：前馈控制器传含 函测 （量 包环节） Wo(S)：控制通道(包 传含 函执行) 器
F
Wff
V(S)
N(s)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
N
Y2(s) Y(s)
对象
Y1(s)
V(S) Wo(S)
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20
根据框图，有：
N(s)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
Y1 -Y1 被控变量
完整版课件ppt 对象
9
④只对被测量的可测而不可控的扰动有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。
即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，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器 前馈控制器 执行器
干扰
干扰通道
Y1 -Y1 被控变量 对象
N(t)
被控过程 Y(t)
及仪表
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14
按照控制系统输出参数与输入参数态不变性
3．ε不变性
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15
1．绝对不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，过渡过程中始终不 变。即静态和动态偏差都为0。
F
Wff
N Y1(s)
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8
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前 馈调节器又称为“扰动补偿器”。
②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、 静态偏差比较快速有效。
③前馈控制属开环控制，只要系统中各环节稳定，控制系统必 定稳定。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器 执行器
第三章 单回路控制系统设计
第四章 串级控制系统设计
都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的 输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时， 输出必然有波动。
有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响 输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？
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1
此控制具有以下特征：
偏差 反馈控制器
设定
干扰
执行器 对象
测量变送
被控变量
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6
2、前馈控制
Feedforward control 简称FFC
当扰动一旦出现，调节器就根据扰动的大小和性质进 行控制，补偿扰动对系统的影响，使被控参数不变。
例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动—突然增加
这种直接根据造成偏差 原因--扰动进行的控制 称为前馈控制
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7
前馈控制：
当冷流体流量增加 N 时，其对
输出温度影响假如为Y1，当 其一产生，即改变蒸汽流量 Fs ，
使得蒸汽 Fs 对输出温度影响为 -Y1，那么输出温度就不会变化。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈调节器 执行器
Y1 -Y1 被控变量
对象
通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好 补偿干扰对对象的影响。
Y2(s)
N(s)
Y(s)
Wff(S)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wo(S)
+
Y2(s)
前馈控制
前馈控制方框图
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16
F Wff
Y2(s)
N Y1(s)
Y(s)
N ΔN
y
t
y1(t)
t
前馈控制
N(s)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
y2(t)
y1(t)+ y2(t)=0
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10
前馈控制与反馈控制比较
偏差
设定
反馈控制器
干扰
执行器 对象
测量变送
被控变量
测量变送器 前馈控制器 执行器
干扰
干扰通道 Y1 -Y1 被控变量
对象
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11
特点比较：
前馈基于干扰控制，反馈基于偏差控制 抑制干扰，前馈控制比反馈控制及时有效 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控
被控变量
反馈控制特点：
当干扰已经发生，但是被控参数尚未变化， 偏差 =0，则控制器不产生调节作用。 例如： 闭环中的干扰：冷流体流量波动
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5
反馈控制总要滞后扰动，是一种不及时的控制。
反馈控制是闭环控制，存在稳定性问题。
对闭环回路中扰动都有调节作用。
调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。
在扰动影响输出前进行调节。
直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完 全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。
前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制
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2
本章内容
1 前馈控制的基本概念 2 前馈控制器的设计 3 前馈-反馈，前馈-串级复合控制系统 4 前馈控制系统的应用原则 5 前馈控制系统的参数整定 6 前馈控制系统典型应用
制系统 前馈控制使用的是与实施对象特性而定的专用控
制器，反馈控制采用通用PID控制器 一种前馈控制只能克服一种干扰，反馈控制只用
一个控制器就可克服多个干扰
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12
前馈控制的应用场合
系统中存在着可测但不可控的变化幅度大，且频繁的 干扰，这些干扰对被控参数影响显著，单用反馈控制 达不到质量要求时。
当控制系统的控制通道滞后时间较长，由于反馈控制 不及时影响控制质量时，可采用前馈或前馈－反馈控 制系统 。
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13
2 前馈控制器的设计
不变性原理是前馈控制的理论基础。
一、不变性原理
不变性原理指控制系统的被控量与扰动量完全无 关，或在一定准确度下无关。
即 :当 N (t)0 时Y(， t)0
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3
1 前馈控制的基本概念
前馈控制是相对于反馈控制而言的。
1、反馈控制： Feedback control 简称FBC
反馈控制在被控参数偏离给定值后，依据偏差，控 制器发出控制指令，补偿扰动对被控参数的影响
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4
——基于偏差的控制
偏差 反馈控制器
设定
干扰
执行器
对象
测量变送
前馈控制系统补偿过程
前馈控制方框图
即 :当 N (t)0 时Y(， t)0
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17
2．稳态不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统在稳态偏差 与扰动无关。即静态偏差为0，动态不为0。
动态偏差 不为0
y1(t)
静态偏差 为0
系统输出y(t) y2(t)
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18
3．ε不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，系统偏差小于一
个小量，用ε表示。
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
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19
二、前馈控制器的设计
1）输出Y(s)与扰动N(s)之间关系：
Wf (S)：扰动通道传函 Wff (S)：前馈控制器传含 函测 （量 包环节） Wo(S)：控制通道(包 传含 函执行) 器
F
Wff
V(S)
N(s)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
N
Y2(s) Y(s)
对象
Y1(s)
V(S) Wo(S)
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20
根据框图，有：
N(s)
Wf(S)
Y1(s)
+ Y(s)
Wff(S)
Wo(S)
+
Y2(s)
Y1 -Y1 被控变量
完整版课件ppt 对象
9
④只对被测量的可测而不可控的扰动有校正作用， 而对系统中的其他扰动无校正作用。
即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，取决于被控对象的特性， 因此，有时控制规律比较复杂。
测量变送器 前馈控制器 执行器
干扰
干扰通道
Y1 -Y1 被控变量 对象
N(t)
被控过程 Y(t)
及仪表
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14
按照控制系统输出参数与输入参数态不变性
3．ε不变性
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15
1．绝对不变性
被控量Y(t)在扰动量N(t)作用下，过渡过程中始终不 变。即静态和动态偏差都为0。
F
Wff
N Y1(s)
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8
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前 馈调节器又称为“扰动补偿器”。
②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、 静态偏差比较快速有效。
③前馈控制属开环控制，只要系统中各环节稳定，控制系统必 定稳定。
测量变送器
干扰
干扰通道
前馈控制器 执行器