前馈控制比值
过程控制系统前馈及比值控制
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) s 0
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
稳态平衡关系：
T2sp 前馈 控制器 T1 RVsp
FC
HV
RV
蒸汽
c p RF (T2 T1 ) HV RV
物料 B QB 后 续 QA 装 置
物料 A
要求：QA / QB = KAB（比值系数）而QB 为主动流量， QA 为可控量，要求设计一控制系统通过调节QA 以 实现上述比值控制目标。
溶液配制问题
30% NaoH QB H2O QA
混 合 器
问题：当NaoH用量QB 变化时，调整稀释水量 QA 以使稀释液NaoH的 浓度为6~8%左右。 解决方案： （1）出口浓度控制；
（2）入环比值控制方案
单闭环比值控制方案
双闭环比值控制方案
比值控制的实施方法1
QB IB K1 IA
FC
假设流量测量变送环节为线性对象 （对于用孔板测量的信号须经开方 运算）。 稳态条件: IA = K1 IB
QA QB QA K1 , K AB QA max QB max QB
过程控制系统 前馈及比值控制
本章基本要求
掌握前馈控制的原理； 掌握前馈控制的几种结构； 了解前馈控制与反馈控制的区别； 了解比值控制问题的由来； 掌握常用的比值控制方案。
前馈控制 (Feedforward Control)
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。
前馈比值总结
前馈部分：前面已经学过串级控制，其基本思想是基于双反馈控制，如果过程干扰发生后，其首先影响到的会是过程的中间变量，因此只要我们引入内环反馈，检测中间提前感知扰动的发生，并给出补偿，就能比单闭环系统调节更加及时。
但无论是单闭环系统还是双闭环系统，归根结底都是反馈控制原理。
而单纯的反馈控制存在如下局限性：（1）从反馈的固有特性来看○1即便原先各环节都是稳定的，加入反馈构成闭环控制后也可能导致系统不稳定，需要做进一步分析。
○2假如扰动频繁，由于任一反馈回路有它固有的自然频率，回路可能会很难达到稳定状态。
（2）从反馈的基本原理来看反馈控制是“基于偏差的控制”，因此只有先计算出偏差，才有反馈的控制，因此其是一个“不及时”的控制，不可能到达完美程度。
（3）从反馈的方法角度来看反馈控制是基于“试错法”进行的，需要一段时间不断地改变输出值去匹配给定值，因此会产生振荡、超调等等问题。
这就是我们要引入前馈控制的原因。
在过程干扰刚刚出现时就及时做出补偿，这就是前馈控制。
它与反馈控制的区别在于不必去检测中间变量来去判断扰动的发生和去修正，而是在干扰一出现时就给予补偿，以避免其对中间变量及控制量产生影响。
因此，其最大的优点在于无论扰动何时出现，都可以立即开始校正，使扰动在影响被调量之前就被抵消掉。
当然，前馈控制有个非常重要的前提就是这个过程干扰一定是可测的，如果不可测，对其补偿无从谈起。
在d2满足以下三个条件时：○1该扰动变量可以可靠地测量；○2该扰动变量不受过程输入变量u的影响（若受则构成闭环反馈）；○3此干扰通道与调节通道的动态特性相近；则可引入如图所示的前馈控制。
易得在能得到在有过程扰动和前馈控制下系统传递函数为则可计算得前馈补偿传递函数应满足此时即可实现对干扰量d2的完美补偿。
比较通用的前馈控制器结构是这个结构中有四个参数，各参数的作用如下：○1增益K ff代表干扰通道与调节通道中过程稳态增益的比值，其作用是放大补偿器的输出响应。
前馈控制比值
前馈控制
3.前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器 一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。前馈控制器 的控制规律取决于干扰通道的特性与控制通道的特性。 对于不同的对象特性，就应该设计具有不同控制规律 的控制器。 GYD ( s)
GFF ( s)
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
不变性
稳态不变性：在扰动作用下，稳态时被控变 量的偏差为0。如静态前馈。与误差不变性相 结合，既能消除静态偏差，又能满足工艺上 对动态偏差的要求。
y1(t)
系统输出y(t) y2(t)
线性前馈控制方块图
D (t) 干扰通道 GYD (s)
＋
开环
＋
测量变送 GDM (s)
D C
不满足条件时怎么办？
动态前馈控制的可实现性
若条件（2）不满足， D
可人为令 可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） D C
D C
C 动态前馈为纯提前（Q、P抵消时）,不可实现。
由此可得：在选择控制通
道。 道时应选择纯迟延短的通
若条件（1）不满足，可令TDM = 0。 而一般GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统 中常用的动态前馈控制器为
GDM ( s ) K DT % T / hr
% %
干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s) RVSP(t) 前馈控制器 GFF (s)
＋
RFm (t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
换热器的线性前馈控制（续）
工业过程控制工程前馈及比值控制.ppt
第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
②前馈控制系统是一个开环控制系统，这一 点从某种意义上来讲是前馈控制的不足之 处，反馈控制由于是闭环控制系统，控制 结果能够通过反馈获得检验。而前馈控制 的效果并不通过反馈加以检验。因此前馈 控制对被控对象的特性了解必须比反馈控 制清楚的多，才能得到一个比较合适的前 馈控制作用。
15
主要的扰动实现不变性就成为选择不变性
第七章 前馈及比值控制
7.1.2 前馈控制系统的特点
前馈控制的特点：
P85
①前馈控制是按照扰动作用大小进行控制的， 如果控制作用恰到好处，一般比反馈控制 要及时；
②前馈控制属于开环控制系统。反馈控制系 统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一 个开环控制系统，前馈控制器按扰动量产 生控制作用后，对被控变量的影响并不返 回来影响控制器的输入信号（扰动量）。
第七章 前馈及比值控制
第七章 前馈及比值控制
本章的主要内容: 7.1 前馈控制系统的原理与特点 7.2 前馈控制系统的几种结构形式 7.3 前馈控制规律的实施（系统设计） 7.4 比值控制系统
1
第七章 前馈及比值控制
7.1 前馈控制系统的原理与特点
本节的主要内容:
7.1.1 前馈控制和不变性原理
P83
7.1.1 前馈控制和不变性原理
10
第七章 前馈及比值控制
7.1.1 前馈控制和不变性原理
系统对扰动Ｆ的全补偿条件： P84
当Ｆ（s） 0时，要求Ｙ（s）= 0
G ff
(s)
G PD (s) G pc (s)
（7.1-3）
满足上式的前馈补偿装置，能使y(t)不受f(t) 变化影响
2019宋彤《过程控制工程》4 前馈及比值控制.ppt
TC 原料出口 FC
燃料
燃料
原油
原料
(a)
(b)
1）控制方案： a) 串级控制， b) 前馈-反馈控制 2）方框图（略） 3）主要干扰： a）燃料流量波动， b）原料流量波动
26
TC 原油出口 FC ＋
TC 原料出口 FC
燃料
燃料
原油
原料
(a)
(b)
4）特点： 串级控制方案，引入燃料流量作为副变量，能迅速克 服燃料的流量波动对主变量的影响； 对于原料引入的干扰控制不及时。 前馈控制方案，引入原料流量作为前馈量，对原料波 动能及时通过调节燃料供给量给予补偿； 系统综合了前馈控制及时克服主要干扰和反馈控制能 克服多种干扰的优点。但是，对于原料流量波动以外 的干扰，控制系统呈现单回路控制特性。
17
b. 前馈控制器控制规律
f Gff(s) GCT(s) GCF(s) GP2(s) GPD(s) GP1(s) T
b.前馈-串级控制方框图
传递函数：
2 ( s)GP1 ( s) T ( s) GPD ( s) G ff ( s)GP 2 ( s)GP1 ( s) F ( s) 1 GC1 ( s)GP
静态前馈补偿控制式：
控制器特性
Cp Cp Fs = F g (T 1 - T 2 ) ? F g (T 1s T 2 ) hs hs T 1s：换热器出口温度设定值
9
静态前馈补偿控制式：
Cp Cp Fs = F g (T 1 - T 2 ) ? F g (T 1s T 2 ) hs hs T 1s：换热器出口温度设定值
FC
Gff
Gff ＋
原料出口
燃料
比例-微分(pd)+前馈控制方法
比例-微分(pd)+前馈控制方法下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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前馈PID控制
前馈PID控制控制量=前馈+PID，前馈实际上是利用对象特征，属于开环控制。
优点是提高系统响应速度，减小反馈控制压力。
如果对对象特征不清楚，就无法用前馈。
在控制算法调试过程中注意一下事项：1.控制周期确定控制周期应该与系统的响应匹配，相应传感器采样周期与控制周期大体一致。
如果传感器采样周期比控制周期大很多，可能造成系统不稳定。
如电机控制中电流变化快，毫秒级变化，相应的电流环周期应该是毫秒级，电流采用也是毫秒级。
目前电动自行车控制器电流环控制周期是2ms，速度环相对比较慢，大概100ms。
2.前馈控制量确定1）电机控制u=i*R+L*di/dt+E (1)E=K*w (2)由(1)式可知：控制电压在电阻、电感和反电动势三个部分消耗掉。
反电动势E与角速度w成正比，在空载情况下，可以粗略认为，控制电压完全消耗在反电动势上。
这样通过加载不同控制量，就可以求出(2)式中的K值。
速度控制中可以把E作为前馈控制量，即：u=E+PID。
2）气动伺服控制可以离线测出不同控制量所对应的压力，这样可粗略反算出达到某压力，大致需要控制量，并用这个控制量作为前馈量。
3.比例控制在不产生振荡前提下，尽可能提高Kp值，这样响应快，不考虑积分时稳态误差小，但过大会造成振荡。
4.积分控制作用：消除稳态误差，缺点：过大易超调振荡，过小响应速度慢。
过调时可消除积分量，如：if((error<0)&&(intergration>0))intergration=intergration*0.8;else if ((error>0)&&(intergration<0))intergration=intergration*0.8;如果直接消除积分即：intergration=0，导致控制量不连续，产生脉动。
另外可做积分饱和处理，减小积分副作用。
5.微分控制1）作用：利用变化趋势特征，阻碍趋势改变。
4.2前馈控制
q
θ1
qD TC
θ2
被控过程
KV
换热器反馈控制系统框图
2、前馈控制的原理与特点 原理
假设q为θ2的主要扰动，q变化频繁，变化幅值大，且对θ2的 影响最为严重。 采用前馈控制方式，如图。
q
前 馈 补 偿 器
蒸汽
qD
θ2
F(s)
△ P
FT
前 馈 控 制 器
Wm (s) Wf(s)
组成与原理
• 前馈控制：qF经常变化，FFC将在qF变化时产生控制作用。
• 反馈控制：对于前馈控制未能完全消除的偏差，以及未能引入前 馈控制的其他干扰( 如物料进口温度、蒸汽压力等） • 复合控制：两个通道作用叠加的结果使θ尽快回到给定值。
Wm(s)
F
Wf(s)
Wm (s)
F
Wf(s)
X
+-
W (s)
二.前馈控制系统的结构
一、静态前馈控制
静态前馈的含义
•控制器的输出仅仅是输入F的函数，与时间t无关。 •在下图中，令前馈控制器传函满足下式即可：
Kf Wm (s) K m Ko
特点：静态前馈控制器为一比例调节 器，实施起来十分方便。
F(s)
Wm (s) Wf(s)
W0 (s)
Y(s)
• 无自衡生产过程：通常不单独使用前馈控制方案，而对于前馈-反 馈或前馈-串级控制，只要反馈或者串级系统是稳定的，则相应 前馈-反馈、前馈-串级控制系统也一定是稳定的。 • 这也正是复合控制系统在工业应用中取代单纯前馈控制的原因之 一
四.前馈控制系统的工程整定
KM
单回路或串级
前馈-比值控制系统
Gm(s)
F(s)
Gf(s) Gv(s) Go(s)
＋ ＋
（S=0时）
Y(s)
静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制 器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差 依然存在。 2．动态前馈控制系统 完全按照补偿控制规律制作控制器。
G f (s) G b ( s) G o ( s) G m (s) G v (s)
＋
＋
Y(s)
Gm1(s)
从前馈—串级复合控制系统的传递函数可知：
1、串级控制回路的传函和单纯的串级控制系统一样
2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定
F(s) Gf(s) Gc2(s) Gv(s) Go2(s)
GmF(s)
Gb(s) X(s)
＋
Gc1(s)
－
＋
＋
－
Go1(s)
＋
＋
Y(s)
1#塔要 求液位稳定，设 液位控制系统。 2#塔要 求进料量稳定， 设流量控制系统。
LT
1# LC
FC FT 2#
显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾： 1#塔液位调节 2#塔流量调节
阀 1 开度变化 2#塔流量变化 阀 2 开度变化 1#塔液位变化
解决办法：、 1、设中间贮 槽，使前后影响减 小，但成本高。 2、用均匀调 节方案。
2#
由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变 量，是通过调节器的参数整定来实现的。 简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例 作用，而且将比例度整定得很大。
当液位变化时， 控制器的输出变化很 小，排出流量只作微 小缓慢的变化，以较 弱的控制作用达到均 匀控制的目的。
LT 1# 2#
LC
工业过程控制工程__前馈及比值控制146页PPT
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
前馈控制
第7章前馈控制图7.1这个控制系统具体表达了向前的信息流7.1按过程模型构成控制系统液位和压力系统图7.2汽包锅炉中的给水流量被设置成等于蒸汽流量2过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）液位均匀控制图7.3对液位调节器的输出和设定值同时加前馈，可使流出量的平稳性最佳温度和成分系统应用于换热器图7.4前馈控制系统要计算出正确的蒸汽流量以适应当时的热负荷图7.5实现稳态热平衡需要三部分计算过程控制系统——应用、设计与整定（第3版） 3图7.6如果稳态的热平衡计算是正确的，那么负荷变化之后，温度将会回到设定值7.2比值控制系统图7.7用两个变量的比值作为调节器的输入，就把除法器包括在闭合回路中图7.8所推荐的这种比值控制结构具有在4过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）闭合回路之外的比值计算流量比值控制图7.9以串级的方式设定两个流量的比值，用以控制混合物的成分数字式混合系统图7.10任何一个调节器的输出达到阀位调节器的整定值时，都会选通主振荡器的信号图7.11流量控制会产生体积偏差过程控制系统——应用、设计与整定（第3版） 5图7.12第二个积分动作用一个等量的盈余来抵消体积的差额，但回路要花费较长的时间才能达到稳态7.3动态补偿的应用确定过程对控制的要求图7.13当两个输入通道的动态环节不同时，就需要进行补偿图7.14没有动态补偿时，将产生一个持续时间等于6过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）两个迟延时间之差的瞬态过程图7.15图7.16图7.17过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）7图7.18动态补偿器图7.198过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）动态补偿器的调整图7.20过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）9图7.217.4引入反馈反馈的作用在何处引入反馈图7.22用反馈调节器来设置前馈系统的设定值图7.23 如果设定值响应比较重要，应该也把设定值送给前馈回路图7.24 一个完整的热交换器控制系统包括动态补偿和一个具有抗积分饱和的反馈调节器10过程控制系统——应用、设计与整定（第3版）相互适应7.5经济方面的考虑7.6小结参考文献1. Luyben, W. L., and P. S. Buckley, “A Proportional Lag Level Controller,”InTech, December 1977.2. MacDonald, K. A., T. J. McAvoy, and A. Tits, “Optimal Averaging Level Control,” AIChE J., January 1986.3. Shinskey, F.G., “Feedforward Control Applied,” ISA J., November 1963.4. Samson, J. E., “Improvements in or Relating to Automatic Force Balance Apparatus,” Br. Patent 860, 485, February 8, 1961.5. Bristol, E. H., and P.D. Hansen, “Moment Projection Feedforward Control Adaptation,” Proc. 1987 American Control Conference, pp. 1755—1762.6. Shinskey, F. G., “From Process Knowledge to Computer Control,” Proc. Third Pacific Area Chemical Engineering Congress, Seoul, May 5—8, 1982.习题7.1在热交换器控制系统中，当蒸汽和液体的流量以满刻度的百分比计相等时，液体的温度将提高100。
前馈控制和比值控制
被控变量往往受到若干个干扰的影响，若系统对其中几个主要的干 扰实现不变性补偿，就称为选择不变性。
前馈控制（简称FFC），又称干扰补偿，它与反馈 控制完全不同，是按照引起被控参数变化的干扰大小 进行控制的。
在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出 时，调节器便发出调节信号使调节参数作相应的变化， 使两者相互抵消于被控参数发生偏差之前。
因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。
2 前馈控制的原理与特点：
一般情况下存在着以下几种类型的不变性。
①绝对不变性
所谓绝对不变性是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过 渡过程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。 如图4-3所示。所以,若适当选择前馈控制器的传递函数GB(s)，可以 做到F(s)对Y(s)不产生任何影响，即实现完全的不变性。
对于任何一个系统，总是希望被控变量受扰动的影响越小越好。 然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发 生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用， 消除扰动对被控量的这种影响。
不变性定义为 当f(t)≠0时，△y(t) ≡ 0 (4—1)
即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。
TC为温度调节器; Kv为温度调节阀门。
系统采分用析单：回路控制：
被当控扰参动数（：如热被流加体热出的口物温料度流2量q，
入口控温制度参数1或：蒸蒸汽汽压流力量pqD等D 的变化）发 生后干，扰将因引素起：热被流加体热出物口料温流度量q2，发生变 化器，按使照其被偏控离量给偏入定差口值值温（度20e，=1随20之-温2）度的调大节 小和方向产生控蒸制汽作压用力，p通D 过调节阀的
前馈及比值控制
ys r（t） TC f（t） y（t） f（t） Gff（s） y（t） r（t） ys
∆P1 max G1 max G 2 2 y2 = ×10 G 2 max 2 y2 2 • G1 max ∴K′ = =K y1 G 2 max
可知，非线性流量测量下，
G1 max K′ = K 2 G 2 max 2
∴K’与仪表结构无关，只与测量方法有关
7.2.4 前馈-串级控制系统
F
Gff（s）
R Gc1（s）
GPD（s）
F1
+
Gc2（s）
+
Gp1（s） Gp2（s）
Y
+ -
+ Gh1（s）
+
Gh2（s）
具有蒸汽流量内回路的前馈-串级控制系统
作用在内回路上的扰动Ff由副回路的反馈作 用来消除。仅考虑进入主回路的主要扰动的情况 下可将图中的虚线方框看成等效环节G’PC（s），
用物料出口温度的设定值r（t）代替式中的物料 出口温度y（t），可得
Gp ys = f ( r − y 0) Hs
上式为静态前馈控制算式。
7.2.2 动态前馈 当控制通道和扰动通道的动态特性差异很大 时，必须考虑前馈补偿。动态前馈的实现是基于绝 对不变性原理。 y
s
r
∑
×
Cp/Hs FC
y0
f
y
换热器的前馈-反馈控制系统
第4章比值、均匀、前馈过程控制课件
开式, 流量控制器选正作用. 加
法器在稳定状态下的输出为:
IO IH IQ IS
上式中, IO 是加法器输出; IH , IQ 分别为液位变送器和流量
变送器的输出; IS 为恒流源输出. 在工况稳定的情况下, 通过调整 IS 值, 使加法器的输出等于流量控制器的给定值 阀门处于某一开度. 若受到干扰使液位上升, 则 IO 增加
LC
H 控制系统把液位﹑流量统一在一个控制系
统中, 如左图所示. 所谓均匀控制系统是
指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地﹑
Q
均匀地变化, 使前后设备在物料供求 上相互兼顾﹑均匀协调的系统.
均匀控制的特点是表征前后供求矛盾的两个参数各自允
许在规定范围内缓慢地变化.
二﹑均匀控制系统的结构方案
(一)简单均匀方案
统和双冲量均匀控制系统在结构上与单回路控制系统相
同, 因此它们的控制器参数整定的方法与单回路控制系 统一样. 下面讨论串级均匀控制系统控制器参数整定的 两种方法.
(一)经验逼近法 (二)定量计算法(补充) 以串级均匀方案中的前后精馏塔的塔釜液位与采出
流量的串级均匀控制为例加以说明.
4-7 比值控制系统
下图表示两个串联的精馏塔独立设置控制系统. 两个独立
甲塔
LC
QC
运行的单回路液位控制系统 乙塔 和流量控制系统工作时是相
互矛盾的. 为解决矛盾, 可
在两塔之间增设中间缓冲容
器来克服, 但这增加了投资
且对于某些生产连续性很强
的过程又不允许中间储存的时间过长, 因
此还需从自动化方案的设计上寻求解决的
甲塔 方法. 均匀控制就是一种解决方案. 均匀
混
合
混合后经预热器进
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)
一文说清串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
一文说清串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统导读控制系统一般又可分为简单控制系统和复杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于简单而言的。
凡是多参数，具有两个以上变送器、两个以上调节器或两个以上调节阀组成多回路的自动控制系统，称之为复杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等，并且随着生产发展的需要和科学技术进步，又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系统。
1、串级控制系统串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点是两个调节器相串联，主调节器的输出作为副调节器的设定，当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。
1、基本概念串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。
它由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。
•主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器。
•副调节器(副控制器)：其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作。
•主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个外回路。
•副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所包括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路)•主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主参数(主变量)。
•副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为副参数(副变量)。
2、串级控制系统的特点串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此，与单回路相比有以下几个特点：1.对进入副回路的扰动具有较迅速、较强的克服能力；2.可以改善对象特性，提高工作效率；3.可消除调节阀等非线性特性的影响；4.串级控制系统具有一定的自适应能力3、串级控制系统参数整定和系统投运串级控制系统的投运和简单控制系统一样，要求投运过程保证做到无扰动切换。
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前馈控制
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之后。
前馈控制
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 是一个“开环”控制系统。 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。要想综合一个合适的前馈控制作用，必须 对被控对象的特性作深入的研究和彻底的了解。
控制目标：
Y ( s) 0 GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s)GDM ( s) 0 D( s )
GFF ( s)
GYD ( s) GDM (s)GYC (s)
馈控制
前馈控制
1.前馈控制是基于不变性原理工作的， 比反馈控制及时、有效 前馈控制是根据干扰的变化 产生控制作用的。 反馈控制与前馈控制的检测 信号与控制信号有不同的特点：
4.一种前馈作用只能克服一种干扰
GDM (s)GYC (s)
反馈控制只用一个控制回路就可克服多个干扰。
N(s)
Wf(S) Wff(S) Wo(S)
Y1(s)
+ Y(s) +
Y2(s)
根据框图，有：
Y ( S ) W f ( S ) N ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) N ( S ) Y (S ) W f ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) N (S )
GDM ( s ) K DT % T / hr
% %
干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s) RVSP(t) 前馈控制器 GFF (s)
＋
RFm (t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
换热器的线性前馈控制（续）
K D TM s 1 ( D M ) s GFF ( s) e K DT K M TD s 1
T2
假设主要干扰为RF，T1
单回路控制的仿真
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
Dn
u
对象
y
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。 前馈控制是基于不变性原理工作的， 比反馈控制及时、有效
满足输出绝对不变性的前馈控制器是由系统对 象的扰动通道特性和控制通道特性决定。
前馈控制器有两种形式：静态、动态 1、静态前馈控制器
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S ) 满足稳态不变性，取t->∞(即s->0)的值。即只 取其通道增益。有：
W ff ( S ) K f / K o K ff 其中 : K f 是W f ( S )的增益
对于干扰与控制通道的动态模型，对通道模型要求弱，大多数情况 要求已知而且准确 无需对象模型
动态前馈控制的可实现性
RF (t) 干扰通道 GYD (s) RF流量 测量变送 GDM (s)
SP 前馈控制器 RV (t) GFF (s)
RFm (t)
＋
控制通道 GYC (s) 被控对象
＋
T2m (t)
QC ( s) C s K DM QD ( s) D s GYD ( s) e , GDM ( s) , GYC ( s) e PD ( s) TDM s 1 PC ( s)
K FF K YD K YC ,
g FF ( s )
gYD ( s )
gYC ( s )
对于非线性系统，上式中静态 前馈部分可由对象的非线性静 态模型计算得到，而动态部分 同样可按线性对象处理。
动态前馈补偿的一般形式为
T1s 1 g FF ( s) exp( s) T2 s 1
6.3s 1 % GFF ( s) 0.975 exp 0.3s 3s 1 %
线性前馈控制的仿真
有余 差
非线性稳态前馈控制
T2sp 非线性 FFC T1 RVsp
FC
RVm
蒸汽 HV, RV 工艺介 质 T2
稳态平衡关系：
RF
c p RF (T2 T1 ) HV RV
Dm (t)
前馈控制器 GFF (s)
u(t)
控制通道 GYC (s) 被控对象
ym (t)
满足输出绝对不变性的前馈控制器 是由系统对象的扰动通道特性和控 制通道特性决定。 当对象通道特性比较复杂时,前馈 控制器复杂,难以实现。所以满足 绝对不变性的前馈控制器实现条件 比较复杂。 满足稳态不变性前馈控制器实现结 构简单,且稳态误差为0。静态前
y1(t)
ε
系统输出y(t) y2(t)
不变性
稳态不变性：在扰动作用下，稳态时被控变 量的偏差为0。如静态前馈。与误差不变性相 结合，既能消除静态偏差，又能满足工艺上 对动态偏差的要求。
y1(t)
系统输出y(t) y2(t)
线性前馈控制方块图
D (t) 干扰通道 GYD (s)
＋
开环
＋
测量变送 GDM (s)
不变性：干扰不为0时，被控变量的变化始终为0
不变性
1绝对不变性：在扰动作用下，被控变量在整 个过渡过程始终保持不变，即控制过程的动态 和静态偏差均为0。
2误差不变性：在扰动作用下，被控变量的波 动小于一很小的值。工程上有现实意义。
3稳态不变性：在扰动作用下，稳态时被控变 量的偏差为0。如静态前馈。与误差不变性相 结合，既能消除静态偏差，又能满足工艺上对 动态偏差的要求。
过程控制工程
第四章 前馈控制和比值控制
问题
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
T2
1、如果加热蒸汽 压力波动导致 单回路控制效 果不理想，怎 么办？ 2、如果工艺介质 流量波动导致 控制效果不理 想，怎么办？
换热器的反馈控制
蒸汽
HV, RV
TC
工艺介质
cp, RF , T1
凝液
D C
不满足条件时怎么办？
动态前馈控制的可实现性
若条件（2）不满足， D
可人为令 可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） D C
D C
C 动态前馈为纯提前（Q、P抵消时）,不可实现。
由此可得：在选择控制通
道。 道时ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ选择纯迟延短的通
若条件（1）不满足，可令TDM = 0。 而一般GYD (s)与GYC (s)均用一阶+纯滞后近似。因而，工业系统 中常用的动态前馈控制器为
扰动N
扰动输出
t->∞ 系统输出
调节输出
K o是Wo ( S )的增益 静态前馈控制器是一个比例环节。
2、动态前馈控制器
动态前馈 Wff(s)满足绝对 不变性：
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
Wo(s) 扰动N
N Wff(s)
Wf(s)
静态前馈控制
扰动输出
动态过程产生 的偏差
GYD ( s) QFF ( s) ( D C ) s GFF ( s) e GYC ( s)GDM ( s) PFF ( s)
QFF (s) TDM s 1QD (s) P (s), PFF (s) K DM PD (s)QC (s) C
可实现条件：（1）QFF(s)阶次≤ PFF(s)阶次； （2） 动态前馈为纯迟延,可实现；
非线性动态前馈控制器
可在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节 或微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。
T2sp
＋
∑
× g 3 (s) g1 ( s) RF
kv
RVsp
T2sp 非线性 FFC T1 RVsp
FC
－
g 2 ( s) g1 ( s)
RVm
蒸汽 HV, RV 工艺介 质 T2
RF
T1
cp, RF , T1
对于线性系统，动态补偿算法为
GFF ( s ) GYD ( s ) GYC ( s ) K YD K YC gYD ( s ) gYC ( s )
gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳态增益均为1 对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动态两部分：
GFF (s) K FF g FF (s)
则根据绝对不变性原理：
N ( S ) 0, Y ( S ) 0 即 : W f ( S ) W ff ( S )Wo ( S ) 0
满足输出绝对不变性前馈控制器：
W ff ( S ) W f ( S ) / Wo ( S )
W ff ( S )：前馈控制器传函(包含测量环节） W f ( S )：扰动通道传函 Wo ( S )：控制通道传函(包含执行器)
4选择不变性：对若干个干扰选择其中几个主 要干扰实现不变性补偿。
不变性
N
绝对不变性： 在扰动作用下，被控变 量在整个过渡过程始终 保持不变，即控制过程 的动态和静态偏差均为0
ΔN
t
y1(t)
y t
y2(t)
不变性