过程控制_第4章_前馈控制系统讲解
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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
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。
4.2 前馈控制系统设计
第三章 单回路控制系统设计
4.1 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？
此控制具有以下特征：
在扰动影响输出前进行调节。
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
前馈控制与反馈控制比较
偏差
设定
反馈控制器
调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。
偏差 反馈控制器
设定
干扰
执行器 对象
测量变送
被控变量
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
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
Y1 -Y1 被控变量 对象
——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
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
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。
1．静态前馈
由教材求得的前馈控制器，它已考虑了两 个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿 器。它追求的目标是受控变量的完全不变 性。而在实际生产过程中，有时并没有如 此高的要求。只要在稳态下，实现对扰动 的补偿。
令4-21式中的S为0，即可得静态前馈控制
算式：
G
ff
(0)
百度文库
GPD GPC
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。
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 。
前馈控制系统的几种结构形式
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
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
(0) (0)
用物料（或能量）衡算式，可方便地获取 较完善的静态前馈算式。例如，图4-13所 示的热交换过程，假若忽略热损失，其热
平衡关系可表述为：QC p ( 0 i ) Gs H s
GS
Q Cp Hs
( 0
i )
Gs
Q
CP HS
(10
I
)
换热器的静态前馈控制
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Gff(s)和Gpc(s)的变化。
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
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
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
在化工工艺参数中，液位和压力反映的是流量的积累量， 因此液位和压力的前馈计算一般是线性的。但是温度和成 分等参数它们代表流体的性质，其前馈计算常以非线性面 目出现。从采用前馈控制的必要性来看，一般是温度和成 分甚于液位和压力。一方面是由于稳定前者的重要性往往 甚于后者，另一方面温度和成分对象一般有多重滞后，仅 采用反馈调节，质量还会不和要求。增加前馈补偿是改进 控制的一条可行途径。对温度和成分控制应考虑采用非线 性运算和动态补偿。图中的前馈补偿器输出是作为蒸汽流 量回路的设定值。设置蒸汽流量回路是必要的，它可以使 蒸汽流量按前馈补偿算式的要求进行精确跟踪。
图中虚线框表示了静态前馈控制装置。它是多输入的，能对物料的进 口温度、流量和出口温度设定值作出静态前馈补偿。由于在（2.4-7） 式中，Q与（θ10-θi）是相乘关系，所以这是一个非线性算式。由此 构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。
注意，假若上式是对热平衡的确切描述的话，那么由此而构筑的非线 性前馈控制器能实现静态的全补偿。对变量间存在相乘（或相除）关 系的过程，非线性是很严重的，假若通过对它们采用线性化处理来设 计线性的前馈控制器，则当工作点转移时，往往会带来很大误差。
称为前馈控制
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。
4.2 前馈控制系统设计
第三章 单回路控制系统设计
4.1 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？
此控制具有以下特征：
在扰动影响输出前进行调节。
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
前馈控制与反馈控制比较
偏差
设定
反馈控制器
调节器一般采用P、I、D控制规律，具有通用性。
偏差 反馈控制器
设定
干扰
执行器 对象
测量变送
被控变量
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
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
Y1 -Y1 被控变量 对象
——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
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
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。
1．静态前馈
由教材求得的前馈控制器，它已考虑了两 个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿 器。它追求的目标是受控变量的完全不变 性。而在实际生产过程中，有时并没有如 此高的要求。只要在稳态下，实现对扰动 的补偿。
令4-21式中的S为0，即可得静态前馈控制
算式：
G
ff
(0)
百度文库
GPD GPC
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。
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 。
前馈控制系统的几种结构形式
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
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
(0) (0)
用物料（或能量）衡算式，可方便地获取 较完善的静态前馈算式。例如，图4-13所 示的热交换过程，假若忽略热损失，其热
平衡关系可表述为：QC p ( 0 i ) Gs H s
GS
Q Cp Hs
( 0
i )
Gs
Q
CP HS
(10
I
)
换热器的静态前馈控制
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Gff(s)和Gpc(s)的变化。
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
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
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
在化工工艺参数中，液位和压力反映的是流量的积累量， 因此液位和压力的前馈计算一般是线性的。但是温度和成 分等参数它们代表流体的性质，其前馈计算常以非线性面 目出现。从采用前馈控制的必要性来看，一般是温度和成 分甚于液位和压力。一方面是由于稳定前者的重要性往往 甚于后者，另一方面温度和成分对象一般有多重滞后，仅 采用反馈调节，质量还会不和要求。增加前馈补偿是改进 控制的一条可行途径。对温度和成分控制应考虑采用非线 性运算和动态补偿。图中的前馈补偿器输出是作为蒸汽流 量回路的设定值。设置蒸汽流量回路是必要的，它可以使 蒸汽流量按前馈补偿算式的要求进行精确跟踪。
图中虚线框表示了静态前馈控制装置。它是多输入的，能对物料的进 口温度、流量和出口温度设定值作出静态前馈补偿。由于在（2.4-7） 式中，Q与（θ10-θi）是相乘关系，所以这是一个非线性算式。由此 构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。
注意，假若上式是对热平衡的确切描述的话，那么由此而构筑的非线 性前馈控制器能实现静态的全补偿。对变量间存在相乘（或相除）关 系的过程，非线性是很严重的，假若通过对它们采用线性化处理来设 计线性的前馈控制器，则当工作点转移时，往往会带来很大误差。