前馈控制系统的基本原理

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 Q

G 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 S

P 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。