前馈控制系统的基本原理
过程控制-4.2-前馈控制系统
Kf Kp
F1 Km FC F2
Kp－控制通道放大系数
Kf－干扰通道放大系数 Km－前馈放大器放大系数
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) s 0
G（s）
（1）当G（ 0时，PV（s） B s）
G（ L s） F（s） 1 G（ O s）G（ V s）G（ C s）
G（ L s） 时，PV（s） 0 G（ s ） G （ s ） O V
G（ L s） 时， G（ s ） G （ s ） O V
G（ （ （ 0即G（ （2） 当G（ L s） O s）G V s）G B s） B s）
L G（ （ （ 即G（ 时，PV（s） F（s） （2） 当G（ L s） O s）G V s）G B s） B s） G（ s ） G （ s ） O V 复合调节 G（s） G（ O s）G（ V s）G（ B s） PV（s） L F（s） 1 G（ s ） G （ s ） G （ s ） O V C
这里，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。
非线性系统的动态前馈补偿
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)
K YC ,
其中
K FF
K YD
g FF ( s )
gYD ( s )
gYC ( s )
d(t)
本例中，d (t)、u (t)、y (t) 分别表示工艺介质流 ＋ 量（外部干扰）、蒸汽 u(t) ＋ y(t) 流量（控制变量）与工 GFF (s) GYC (s) 艺介质的出口温度（被 控变量）；GFF(s)为前 控制目标： 馈控制器的动态特性； GYD(s)、GYC(s)分别为干 Y ( s) 扰通道与控制通道的的 GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s) 0 D( s ) 动态特性。
前馈控制原理
前馈控制原理
前馈控制原理是一种控制系统的控制原理。
它是控制系统中最常用的一种控制原理，也是控制系统的重要组成部分。
它的基本原理是利用控制系统的输入信号来预测系统的未来状态，然后根据预测结果调整系统的输出信号，使系统达到所需的状态。
前馈控制原理可以帮助控制系统获得更好的性能。
它可以改善系统的精度和稳定性，并帮助系统实现快速响应和良好的抗干扰能力。
它还可以有效减少系统中的延迟现象，使系统更加精确和稳定。
前馈控制原理的实现方式有很多种，其中最常用的是基于数字的前馈控制，它可以利用计算机的优势，将系统的控制转化为数字信号，从而让系统更加精确和稳定。
前馈控制原理在工业控制系统中有着广泛的应用，可以有效提高控制系统的性能，使系统能够更好地满足工业的控制需求。
前馈控制原理是一种重要的控制原理，它可以改善控制系统的性能和精度，使控制系统能够更好地满足工业的控制需求。
名词解释前馈控制
名词解释前馈控制前馈控制是一种控制系统中使用的一种控制算法，它的基本原理是根据系统输入和已知的系统模型来预测系统输出，并根据这个预测来制定控制策略。
前馈控制可以有效地抵消外部干扰和系统动力学特性对系统的影响，提高控制系统的稳定性和性能。
前馈控制的核心思想是通过提前知晓系统输入对系统输出的影响，进而根据这些信息来进行控制。
在前馈控制中，通常会使用系统模型来建立输入和输出之间的数学关系。
这个模型可以基于系统的物理特性、经验数据或者理论推导来得到。
根据模型，前馈控制可以通过计算系统输入和输出之间的差异来确定控制策略，以期望输出接近于预期值。
在前馈控制中，常用的控制策略包括比例控制、积分控制和微分控制。
比例控制根据输入和输出之间的差异来确定控制量的大小，积分控制根据输入和输出之间的积分误差来调整控制量，微分控制则根据输入和输出之间的变化率来调整控制量。
这些控制策略可以单独或者结合使用，以达到预期的控制效果。
前馈控制在许多领域中都有广泛的应用。
在机械控制系统中，前馈控制可以用于抑制振动和提高系统的响应速度。
在化工过程中，前馈控制可以用于优化反应过程和减少能源消耗。
在电力系统中，前馈控制可以用于提高电网稳定性和降低线损。
此外，前馈控制还可以应用于航空航天、交通运输、自动化生产线等领域。
虽然前馈控制具有许多优点，但也存在一些局限性。
首先，前馈控制通常需要准确的系统模型和输入信息，如果这些信息不准确或者有误差，控制效果可能会降低。
其次，前馈控制无法处理未知的干扰和变化，只能预测已知输入对输出的影响。
因此，在实际应用中，通常会将前馈控制与反馈控制相结合，以克服各自的不足，实现更好的控制效果。
总之，前馈控制是一种通过预测系统输入对输出的影响来进行控制的算法。
它可以有效地抵消外部干扰和系统动力学特性对系统的影响，提高控制系统的稳定性和性能。
然而，前馈控制的有效性取决于准确的系统模型和输入信息，因此在实际应用中需要综合考虑其他因素来选择合适的控制策略。
反馈前馈控制系统设计课题背景描述
反馈前馈控制系统设计课题背景描述背景描述：反馈前馈控制系统是一种常用的控制系统设计方案。
它通过将反馈和前馈两种控制方式结合起来，能够实现更加精确、稳定和灵活的控制效果，被广泛应用于各种机电设备、自动化生产线等领域。
在实际应用中，反馈前馈控制系统的设计需要考虑多方面因素，包括被控对象的特性、控制器的性能要求、信号采集和处理方式等。
因此，如何有效地设计反馈前馈控制系统成为了一个重要的课题。
本文将从以下几个方面进行详细介绍和分析：反馈前馈控制系统的基本原理、设计流程和具体实现方法，以及在实际应用中需要注意的问题和解决方案。
一、反馈前馈控制系统基本原理1. 反馈控制原理反馈控制是指通过测量被控对象输出信号，并与期望输出信号进行比较，得到误差信号后再通过调节输入信号来使误差趋近于零的一种闭环控制方式。
其基本思想是根据被测量物理量与期望值之间的误差来调整控制量，以达到控制目标。
2. 前馈控制原理前馈控制是指在被控对象输入信号中加入一个预测信号，通过提前调节输入信号来消除误差，从而实现更加精确和稳定的控制效果。
其基本思想是在被测量物理量出现变化之前就对其进行预测，并通过预测结果来调整输入信号。
3. 反馈前馈控制原理反馈前馈控制是将反馈和前馈两种控制方式结合起来，通过同时考虑当前状态和未来趋势来实现更加精确、稳定和灵活的控制效果。
其基本思想是根据当前状态和未来趋势对被测量物理量进行预测，并通过反馈和前馈两种方式对输入信号进行调节，以达到最优的控制效果。
二、反馈前馈控制系统设计流程1. 系统建模系统建模是指将被控对象、传感器、执行器等各个部分组成一个完整的数学模型，以便于后续的仿真和分析。
在建模过程中需要考虑到系统的非线性特性、时变特性等因素，以保证模型的准确性和可靠性。
2. 控制器设计控制器设计是指根据系统模型和控制要求，设计出合适的控制算法和参数，以实现对被控对象的精确、稳定和灵活的控制。
在控制器设计过程中需要考虑到系统的动态响应特性、鲁棒性、抗干扰能力等因素。
前馈控制的特点及原理
前馈控制的特点及原理前馈控制是指根据系统的输入变化预先计算出控制器输出的方法，它具有以下特点：1. 高灵活性：前馈控制可以根据系统的输入变化灵活调整控制器的输出，能够快速适应系统的变化。
2. 高稳定性：前馈控制可以通过预先计算控制器输出来抵消系统的不确定性和扰动，提高系统的稳定性。
3. 高鲁棒性：前馈控制可以通过预先计算控制器输出来抵消系统的参数变化和外部扰动，提高系统的鲁棒性。
4. 高精度性：前馈控制可以根据系统的输入变化精确计算出控制器输出，提高控制精度。
前馈控制的原理是通过建立系统的数学模型，根据系统的输入变化预先计算出控制器的输出。
具体步骤包括以下几个方面：1. 系统建模：根据系统的特性和输入输出关系，建立系统的数学模型，通常用差分方程、微分方程或传输函数等形式表示。
2. 输入预测：根据系统的输入变化，预先计算出系统的未来输入。
这通常需要对系统的输入进行估计或预测，例如使用滤波算法或时间序列分析等方法。
3. 输出预测：根据系统的数学模型和预测的输入，预先计算出系统的未来输出。
这需要根据系统的数学模型进行数值计算，通常使用数值方法或仿真软件等进行。
4. 计算控制器输出：根据预测的系统输出和系统的目标输出，计算出控制器的输出。
这通常需要使用控制算法和反馈控制方法，将预测的系统输出和目标输出进行比较，生成控制器输出。
5. 调节控制器参数：根据实际反馈的系统输出和控制器输出，调节控制器的参数，使得系统的实际输出接近目标输出。
这是一个迭代的过程，通过不断调节控制器参数来提高控制系统的性能。
通过前馈控制，可以在系统输入变化之前就预先计算出控制器的输出，从而提高控制系统的性能。
在实际应用中，前馈控制通常与反馈控制相结合，共同实现系统的稳定控制和优化控制。
前馈控制系统的基本原理
前馈控制系统的基本原理前馈控制系统是一种控制系统，其中输入信号经过预先设计的控制器处理后，直接作用于被控对象，以实现对被控对象的控制。
该系统的基本原理是根据被控对象的数学模型和被控目标，设计适当的控制器，并通过对输入信号进行预先处理，以提前预测被控对象的响应，并消除或最小化干扰对被控对象的影响，从而实现精确控制。
前馈控制系统通常由以下几个主要组成部分构成：被控对象、传感器、控制器和执行器。
被控对象是指需要被控制的系统或设备，如机械臂、电机、飞机等。
传感器负责将被控对象的状态信息转换为电信号，以便输入到控制器中进行处理。
控制器根据输入信号和预先设计的控制算法，生成适当的输出信号，并将其发送到执行器。
执行器根据控制器的输出信号，对被控对象进行调节，从而实现控制目标。
前馈控制系统的基本原理是根据被控对象的数学模型和被控目标，设计适当的控制器，并通过对输入信号进行预先处理来实现精确控制。
在设计控制器时，需要考虑被控对象的动态响应特性、控制目标以及系统的稳定性、鲁棒性和性能要求等因素。
预处理器是前馈控制系统的重要组成部分，其作用是对输入信号进行预先处理，以消除或最小化干扰对被控对象的影响。
预处理器可以采用各种方法，如滤波、调幅、增益调整等，以实现对输入信号的改变。
在前馈控制系统中，控制器的设计是关键。
根据被控对象的数学模型和理想控制目标，可以选择合适的控制算法，如比例积分控制（PI控制）、比例微分控制（PD控制）、模糊控制、神经网络控制等。
控制器的设计要考虑稳定性、鲁棒性、性能要求等因素，以实现对被控对象的精确控制。
前馈控制系统的优点是能够减小被控对象对干扰的响应，提高系统的跟踪性能和鲁棒性。
通过预先预测被控对象的响应，并对控制器的输入信号进行合适的处理，可以消除或最小化干扰对被控对象的影响，从而实现更精确的控制。
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。
动物生理学-前馈控制
7）反馈调节器控制规律:PID ; 前馈调节器控制规律:特定;
8）调节器的正反作用的确定:
副调节器的正反作用: 反作用
Km+; Kv+;K02+;
Kc2+
主调节器的正反作用: 反作用
K01+; Kc1+
9）流程图和方框图 10）检验
燃料油流量q B
4）测量元件与变送器: 1、热电阻温度计,温度变送器 2、差压流量计
5）调节阀选型： 气开式
（安全性原则：没有控制信号时，阀应全关）
6）反馈调节器控制规律:PID ;前馈调节器控制规律:特
定;
7）调节器的正反作用的确定: 反作用
Km+; Kv+;K0+;
Kc+
8）流程图和方框图 9）检验
对时变与非线性对象的适应性与 鲁棒性强
前馈控制的特点
1） 前馈控制是一种开环控制；
2） 前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制， 能及时有效地抑制干扰对被控参数的影响；
3）前馈补偿器不是通用调节器，它取决于过程的 特性； 4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰。
前馈控制的局限性
1）不可能对所有干扰进行补偿，这样既不 经济也不可能实现； 2） 对不可测的干扰无法实现前馈补偿；
前馈控制应用实例 加热炉前馈-串级控制系统
1）主被控参数： 炉出口温度T
2）副被控参数： 燃料油流量q B 3）前馈控制参数： 进料流量q F
4）控制参数:
燃料油流量q B
5）测量元件与变送器:1、热电阻温度计,温度变送器
2、差压流量计
6）调节阀选型：气开式 （安全性原则：没有控制信号时，阀应全关）
复杂过程控制系统
第六章前馈控制
Wm(s)
F1
Wf(s)
F2
X1
+-
X2
Wc1(s)
Wc2(s)
Wo2(s)
Y2
W01(s)
Y
前 馈 -串 级 复 合 控 制 系 统 框 图 串
Wm(s)
F1
Wf(s)
X1
+-
X2
Y2
Y2(s)/ X2(s)
Wc1(s)
W01(s)
Y
等效简化框图
三.前馈控制系统设计中应注意的问题
过程控制 第六章
2、反馈控制的特点
① 反馈控制系统的输出是偏差的 函数。 基于偏差消除偏差” 函数。“基于偏差消除偏差” ② 控制器的动作总是落后于扰动 作用。 不及时控制” 作用。“不及时控制” ③ “闭环稳定”问题。 闭环稳定”问题。 ④ 可消除多种扰动对被控量 消除多种扰动对被控量 的影响。 的影响。 ⑤ 调节器的控制规律通常是P、 调节器的控制规律通常是P PI、PD、 PI、PD、PID θ20
Wm(s)
F
Wf(s)
过程控制 Wm(s)
F 第四章
Wf(s)
X
+-
W (s)
c
W0(s)
(a)
Y
X
+-
Y W (s)
c
W0(s)
(b)
Y ( s ) = W f ( s ) F ( s ) + Wm ( s )Wo ( s ) F ( s ) − Wc ( s )Wo ( s )Y ( s )
Y ( s ) W f ( s ) + Wm ( s )Wo ( s ) = F (s) 1 + Wc ( s )Wo ( s )
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。
前馈控制理论及应用
前馈控制理论及应用前馈控制是一种广泛应用于自动控制系统中的控制策略，其基本原理是在系统输出之前引入一个预测信号，以补偿系统的非线性和时变性，从而实现系统的稳定性和性能改善。
本文将介绍前馈控制的基本原理、主要方法和在实际应用中的案例。
一、前馈控制的基本原理前馈控制是一种开环控制方式，通过引入一个预测信号来抵消系统的非线性和时变性对系统性能的影响。
其基本原理可以概括为：在控制器输出之前，将预测信号与系统输出相加，并将其作为控制器输出的一部分。
这样，当系统遭受外部扰动或系统参数发生变化时，预测信号就能够及时地进行补偿，从而减小系统误差，提高系统的稳定性和鲁棒性。
二、前馈控制的主要方法1. 基于模型的前馈控制基于模型的前馈控制是利用系统的数学模型来设计控制器，以实现对系统非线性和时变性的补偿。
其主要步骤包括：建立系统的数学模型、根据模型设计前馈控制器、将前馈控制器与反馈控制器相结合。
该方法适用于系统模型已知或可以较好地近似的情况，可以提供较好的控制性能。
2. 自适应前馈控制自适应前馈控制是一种基于系统辨识理论的控制方法，通过不断估计系统的参数，实时地调整前馈控制器的参数，以适应系统的非线性和时变性。
其主要思想是根据系统的输入输出数据，在线估计系统的参数，并根据估计的参数设计前馈控制器。
这种方法适用于系统模型未知或模型难以建立的情况，能够实现对复杂非线性系统的控制。
三、前馈控制在实际应用中的案例1. 机械加工中的前馈控制应用在机械加工中，前馈控制可用于提高加工质量和生产效率。
例如，在数控车床中，通过提前计算材料的去除量和切削力信息，设计合适的前馈控制策略，可以实现对工件切削过程的精确控制，提高加工质量和加工效率。
2. 汽车车身稳定控制中的前馈控制应用在汽车车身稳定控制系统中，前馈控制可用于提高车辆的操控性和稳定性。
通过提前预测车辆受力情况，设计合适的前馈控制策略，可以使车辆对外部环境的变化做出快速反应，提高车辆操控性和运动稳定性。
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。
前馈控制管理学的要点总结
前馈控制管理学的要点总结一、前馈控制的定义和基本原理前馈控制是一种常用的控制策略，其基本原理是根据系统的输入和输出之间的数学关系，预先计算出控制信号，以便在输入信号对系统产生影响之前进行干预，从而改善系统的性能或实现系统的期望响应。
二、前馈控制的优点和应用领域1. 提高系统响应速度：前馈控制可以消除系统的时滞响应，加快系统的响应速度，使系统更加灵敏。
2. 提高系统的稳定性：前馈控制通过抵消外部干扰或内部扰动，增强系统的稳定性，使其对扰动具有更好的鲁棒性。
3. 提高系统的精度：前馈控制可以根据系统的动态模型，精确地预测和补偿系统的非线性特性，提高系统的精度和跟踪性能。
4. 降低系统的误差和波动：前馈控制能够根据先验知识和模型，预测和补偿系统的误差和波动，使系统更加稳定和可靠。
5. 应用领域：前馈控制在工业自动化、航空航天、机械控制、电力系统等众多领域得到了广泛的应用。
三、前馈控制的主要方法和技术1. 基于模型的前馈控制：该方法利用系统的数学模型来设计前馈控制器，通常需要系统的详细模型和参数信息。
常见的方法包括根轨迹设计、频率响应设计等。
2. 自适应前馈控制：该方法根据系统的实际响应和误差情况，自适应地调整前馈控制器的参数，以实现更好的控制效果。
常见的方法有模型参考自适应控制、模糊自适应控制等。
3. 神经网络前馈控制：该方法利用神经网络的非线性映射能力，学习系统的输入输出关系，设计前馈控制器。
神经网络前馈控制具有良好的非线性逼近能力和鲁棒性。
4. 遗传算法前馈控制：该方法利用遗传算法的优化能力，在控制器参数空间中搜索最优解，设计前馈控制器。
遗传算法前馈控制适用于非线性系统和无模型系统。
四、前馈控制的注意事项和挑战1. 模型误差和参数不确定性：前馈控制设计过程中需要准确的系统模型和参数信息，但实际系统常常存在模型误差和参数不确定性，导致控制效果下降。
2. 非线性和时变性：前馈控制在处理非线性系统和时变系统时面临挑战，需要设计合适的前馈控制策略和方法，充分考虑系统的非线性特性和时变性。
前馈控制原理
前馈控制原理
前馈控制原理是一种控制原理，它利用反馈信号调节输出，以达到控制系统动态特性、精确控制和稳定性的良好表现。
它的基本原理是，先把前馈信号作为参考，然后根据调整
阀件的位置以实现对控制被控对象的精确控制。
前馈控制原理可以被描述为通过一个反馈回路来控制控制系统的输出，其原理如下：
将控制变量添加到输出端作为输入量，而后将该输入信号经过处理变换以获取的反映输出
的前馈信号，此时，该信号与期望的正反馈(正反馈信号通常由控制对象来设定)进行比较
并应用差分法产生比例微调器的调节量，从而使输出信号与生产出的期望反馈信号相匹配。
前馈控制原理可以用于控制复杂的系统及无力手动调整的系统。
它具有系统动态特性
良好、非常精确的控制水平以及良好的稳定性，可用于在大范围内控制对象的参数。
此外，前馈控制原理也可以用于系统诊断及故障排除，可以增强控制系统的安全性。
它能够检测参数渗透，加强分析中遇到的问题，产生较为准确的结果，即使对象参数发生
变化也能快速响应，可以检测控制系统的变化，并采取有效的补救措施来减少控制系统的
波动性。
前馈控制
前馈控制一、前馈控制系统单回路控制系统和串级控制系统都是反馈控制系统，它主要是根据被控量和给定值的偏差信号来进行控制的。
反馈控制的最大优点是可以克服所有引起被控量发生变化的扰动信号，但它本身也存在很大的缺点，那就是调节不及时，调节总是滞后于扰动，即只有扰动作用于系统引起被控量发生变化，导致调节器输入端的偏差信号发生变化后，调节器才改变输出的调节信号，克服扰动，对被控量进行调节。
与反馈控制相比较，前馈控制直接根据扰动信号对被控量进行调节，调节快速性很好。
1．前馈控制的基本概念前馈控制也称为扰动补偿控制，是指在控制系统中，控制器根据扰动信号作用的大小和方向对被控量进行调节，称这种控制为前馈控制。
2．概念的理解(1)在前馈控制系统中，送给控制器的测量信号是扰动信号，而不是被控量，这和反馈控制存在很大的差别。
反馈控制是将被控量作为测量信号，调节器是根据被控量的测量值与给定值的偏差对被控量进行调节；而前馈控制是直接根据某个扰动信号的变化来对被控量进行调节的。
(2)前馈控制系统中的控制器通常叫做前馈控制器，或者前馈补偿器，该控制器只接收某个扰动作用的测量信号，无给定值输入信号。
因而从严格意义上讲，它不是一个控制器，而是一个补偿器，其作用是补偿扰动信号对被控量所造成的影响。
(3)一个前馈控制器只能对某一个扰动信号进行补偿。
若系统中存在多个扰动信号，则需要设计多个前馈控制器，分别去对多个扰动信号进行补偿。
3．前馈控制系统的结构前馈控制系统主要由前馈控制器、测量变送器、执行器、调节机构和被控对象组成。
其中，测量变送器是对扰动信号进行测量，而前馈控制器的输入信号只有一个，即扰动量的测量信号，无被控量的定值输入信号。
因而前馈控制器实际是一个前馈补偿器，补偿扰动对被控量的影响。
下面结合实例进行分析。
图3-10是一混合水温前馈控制系统示意图。
通过冷水调节阀和热水调节阀分别去调节冷水流量和热水流量，混合水的温度θ是系统的被控参数，要求θ为一定值。
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
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)
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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θ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Q ，则可组成图2.4-2前馈控制方案。
方案中选择加热蒸汽量s G 为操纵变量。
图2.4-1 反馈控制 图2.4-2 前馈控制前馈控制的方块图，如图2.4-3。
系统的传递函数可表示为：)()()()()(1S G S G S G S Q S Q PC ff PD +=（2.4-1）式中)(s G PD 、)(s G PC 分别表示对象干扰道和控制通道的传递函数；)(s G ff 为前馈控 图2.4-3 前馈控制方块图制器的传递函数。
系统对扰动Q 实现全补偿的条件是：0)(≠s Q 时，要求0)(=s θ （2.4-2）将（1-2）式代入（1-1）式，可得)(s G ff =)()(S G S G PC PD - （2.4-3）满足（1-3）式的前馈补偿装置使受控变量θ不受扰动量Q 变化的影响。
图2-4-4表示了这种全补偿过程。
在Q 阶跃干扰下，调节作用c θ和干扰作用d θ的响应曲线方向相反，幅值相同。
所以它们的合成结果，可使θ达到 图2.4-4 前馈控制全补偿示意图理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。
显然，这种理想的控制性能，反馈控制系统是做不到的。
这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。
在干扰作用下，受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。
前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反馈回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。
1．前馈控制与反馈控制的比较图 2.4-5 反馈控制方块图 图2.4-6 前馈控制方块图由以上反馈控制系统与前馈控制系统方块图可知：1)前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统从图上可以看到，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回路，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，反馈一般只要用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。
前馈控制系统的几种结构形式1．静态前馈由（1-3）式求得的前馈控制器，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（1-3）式中的S 为0，即可得静态前馈控制算式：)0()0()0(PC PD ff G G G -=（2.4-4）利用物料（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2-4-2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：s s i p H G QC =-)(0θθ（2.4-5）式中 p C ——物料比热s H ——蒸汽汽化潜热Q ——物料量流量s G ——载热体（蒸汽）流量i θ——换热器入口温度0θ——换热器出口温度由（2.4-5）式可解得： )(0i s p S H C QG θθ-= （2.4-6）用物料出口温度的设定值10θ代替上式中的0θ，可得s G = )(10I SP H C Q θθ- （2.4-7）上式即为静态前馈控制算式。
相应的控制流程示于图2-4-7图2.4-7 换热器的静态前馈控制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（θ1i -θ2）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。
应该注意到，假若（2.4-5）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。
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2.4—7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（2.4-7）式的要求进行精确跟踪。
2．前馈—反馈控制系统在理论上，前馈控制可以实现受控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因，前馈控制系统依然会存在偏差。
1）实际的工业对象会存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。
因而一般仅选择几个主要干扰作前馈通道。
这样设计的前馈控制器对其它干扰是丝毫没有校正作用的。
2）受前馈控制模型精度限制。
3）用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。
尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节s eτ或纯微分环节)1(+TsD时，它们在物理上是不能实现的，构筑的前馈控制器只能是近似的：如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后环节。
前馈控制系统中，不存在受控变量的反馈，也即对于补偿的效果没有检验的手段。
因此，如果控制的结果无法消除受控变量的偏差，系统也无法获得这一信息而作进一步的校正。
为了解决前馈控制的这以局限性，在工程中往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈—反馈控制系统。
这样既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变量最终检验的长处，是一种适合化工过程控制、较有发展前途的控制方法。
换热器的前馈——反馈控制系统及其方块图分别表示在图2.4-8和图2.4-9。
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 )()(0s Q s θ=)()(1)()()()(1)(s G s G s G s G s G s G s G PC C PC ff PC C PD +++ （2.4-8）应用不变性原理条件 0)(≠s Q 时，要求0)(0=s θ，代入（2.4-8）式，可导出前馈控制器的传递函数为)()()(s G s G s G PC PD ff -=（2.4-9）比较（2.4-9）式和（2.4-3）式可知，前馈—反馈控制与纯前馈控制实现“全补偿”的算式是相同的。
前馈—反馈系统具有下列优点：从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。
从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了控制的负担。
3．前馈—串级控制系统分析图2.4-6换热器的前馈—反馈控制系统可知，前馈控制器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接送至控制阀，这实际上是将所要求的物料量F 与加热蒸汽量F S 的对应关系，转化为物料流量与控制阀膜头压力间的关系。
这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出了严格的要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。
此外还要求控制阀前后的压差恒定，否则，同样的前馈输出将对应不同的蒸汽流量，这就无法实现精确的校正。
为了解决上述两个问题，工程上将在原有的反馈控制回路中再增设一个蒸汽流量副回路，把前馈控制器的输出与温度控制器的输出叠加后，作为蒸汽流量控制器的给定值。
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)()(1)()()()(1)()()(1)()()()(1)()(1)()()()()(2222112222112222s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s s Q PC C PC C PC C PD PC C PC C PC c PC C PC C ff ++++++=θ（2.4-10）因为串级系统最佳设计101=副主ωω则)()(1)()(2222s G s G s G s G pc c pc c +≈1，根据不变性原理当0)(,0)(=≠s s Q θ则 )()()(s G s G s G PCPD ff -= （2.4-12）2.4-12曲线图前馈控制规律的实施1. 系统设计对可测不可控的干扰，变化幅度大，且对被调参数影响大，工艺指标要求严格工艺要求实现参数间的某种特殊关系，即按某一种数学模型来进行调节2. 前馈补偿装置的控制算法通过对前馈控制系统的几种典型结构形式的分析可知，前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性。
由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的形式繁多，但从工业应用的观点看，尤其是应用常规仪表组成的控制系统，总是力求控制仪表的模式具有一定的通用性，以利于设计、运行和维护。
实践证明，相当数量的工业对象都具有非周期性与过阻尼的特性，因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。
2111)(L L f P dff eS T S T K S G +-++-= （2.4-13）⑴超前滞后环节1111+-+=++S T KK S T S T f f P （2.4-14） 1-=fPT T K （2.4-15） 图2.4-13 超前滞后环节的等效图 ⑵ 纯滞后补偿12121-+-=-S Sef fsf τττ(2.4-16)当f τ较小时，ΛΛ++++-+-==--2)2(212)2(212222s s s eeeffffsSsfff τττττττ =ss ff 2121ττ+-（2.4-17）2111)(L L f P dff eS T S T K S G +-++-= （2.4-18）上式所示为带有纯滞后的“超前—滞后”前馈控制规律，其纯滞后环节按12121-+-=-SS ef fsf τττ（2.4-19） 近似展开。