前馈反馈控制系统
前馈反馈控制系统工作原理
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升降膜式蒸发器的前馈反馈控制系统的设计
升降膜式蒸发器的前馈反馈控制系统的设计升降膜式蒸发器是一种常用的热传递设备，广泛应用于化工、制药、食品等行业。
为了提高蒸发器的效率和稳定性，设计一个合理的前馈反馈控制系统是非常重要的。
一、升降膜式蒸发器的基本原理升降膜式蒸发器通过将液体送入设备中，利用加热源将液体加热并转化为气态，然后从设备顶部排出。
在这个过程中，液体在设备内形成了一层薄膜，并通过重力作用向下流动。
同时，气体通过设备底部进入，并与下降的液体接触进行传热和质量传递。
气体从设备顶部排出，并经过冷凝处理后得到所需产品。
二、前馈反馈控制系统的必要性升降膜式蒸发器的操作过程中可能会受到多种因素的影响，如进料流量、进料浓度、加热温度等。
这些因素对于设备的稳定运行和产品质量有着重要影响。
设计一个前馈反馈控制系统可以实时监测和调节这些因素，以保证蒸发器的稳定性和性能。
三、前馈反馈控制系统的设计要点1. 传感器选择：选择合适的传感器对蒸发器的关键参数进行监测，如进料流量、进料浓度、加热温度等。
常用的传感器包括流量计、浓度计和温度计等。
2. 控制算法选择：根据监测到的数据，设计合适的控制算法来实现对蒸发器的控制。
常用的控制算法有PID控制算法、模糊控制算法和模型预测控制算法等。
3. 控制信号输出：根据控制算法得出的结果，通过执行机构输出相应的控制信号。
执行机构可以是电动调节阀或变频调速装置等。
4. 反馈回路设计：为了提高系统的稳定性和鲁棒性，需要设计一个反馈回路来实时监测设备运行状态，并将反馈信息输入到控制系统中进行调节。
5. 控制系统参数整定：根据蒸发器的具体情况和要求，对控制系统参数进行整定，以达到最佳的控制效果。
参数整定包括比例系数、积分时间和微分时间等。
四、前馈反馈控制系统的工作流程1. 传感器实时监测蒸发器的关键参数，并将数据传输给控制系统。
2. 控制系统根据监测到的数据，通过控制算法计算出相应的控制信号。
3. 控制信号经过执行机构输出到蒸发器中，调节进料流量、进料浓度或加热温度等参数。
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
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。
前馈控制系统的特点及应用场合
前馈控制系统的特点及应用场合前馈控制系统是指根据所需的输出信号先行进行信号的预测，并根据预测的结果来提前采取控制措施，以达到控制系统理想输出的控制方法。
下面将详细介绍前馈控制系统的特点以及应用场合。
首先，前馈控制系统的特点如下：1. 较强的鲁棒性：前馈控制系统能够通过提前预测输出变量的影响因素来预测出未来的输出值，并在未来发生变化之前将控制信号及时输入到控制器中，从而提高系统对干扰和噪声的抑制能力，增强系统的鲁棒性。
2. 高速响应：由于前馈控制系统提前预测输出信号的变化，并采取相应的控制措施，因此系统对于变化的响应速度较快，能够在输出值发生偏差前及时修正，提高控制系统的响应速度。
3. 准确性高：前馈控制系统通过预测输出信号的影响因素，并在输出变化前采取控制措施，因此能够在输入信号发生变化时及时进行修正，从而提高系统的准确性。
4. 适用于系统模型已知的情况：前馈控制系统需要事先知道系统的模型，并能够建立系统的数学模型，从而对输出信号的变化进行预测，并采取相应的控制措施。
因此，前馈控制系统适用于系统模型已知的情况，对于未知模型或参数变化较大的系统效果较差。
接下来，我们将介绍前馈控制系统的应用场合：1. 机械控制系统：前馈控制系统在机械控制系统中的应用十分广泛。
例如，工业机器人的运动控制中，通过预测机器人的位置和姿态，提前采取控制措施，可以提高机器人的定位和跟踪精度，从而提高生产效率。
2. 过程控制系统：在化工、冶金等过程控制系统中，前馈控制系统也得到了广泛的应用。
例如，在温度控制系统中，通过提前预测温度变化趋势，及时调整加热功率，可以有效地控制温度的稳定性，提高产品质量。
3. 电力系统：电力系统中也存在着很多需要控制的环节。
例如，在电力传输与分配中，通过预测负荷变化，提前调整发电机组的输出，可以避免发生电压波动和电网失衡，保证电力系统的稳定运行。
4. 航空航天系统：在航空航天系统中，前馈控制系统也有着广泛的应用。
生理学 人体内自动控制系统
人体内控制系统可分为非自动控制系统、反馈控制系统和前馈控制系统。
非自动控制系统在人体内并不多见，故而下面主要介绍反馈控制系统和前馈控制系统。
一、反馈控制系统：
1、定义及概述：反馈控制系统是由比较器、控制部分和受控部分组成的一个闭环系统；由于在该系统中反馈信号对控制部分的活动可发生不同的影响，所以可将其分为两种：负反馈和正反馈。
2、负反馈控制系统：（1）定义：来自受控部分的输出信息反馈调整控制部分的活动，最终使受控部分的活动向与其原先活动的相反方向改变。
（2）举例：①正常机体内，血糖浓度、PH、循环血量、渗透压的稳定②减张反射
3、正反馈控制系统：（1）定义：来自受控部分的输出信息反馈调整控制部分的活动，最终使受控部分的活动向与其原先活动的相同方向改变。
（2）举例：①排尿反射、排便反射②血液凝固过程③神经纤维膜上达到阈电位时Na+通道开放④分娩过程⑤胰蛋白酶原激活的过程
二、前馈控制系统：
1、定义：当控制部分发出信号，使受控部分进行某一活动时，受控部分不发出反馈信号，而是由某一监测装置在受到刺激后发出前馈信号，作用于控制部分，使其及早做出适应性反应，及时调控受控部分的活动。
2、意义：避免负反馈调节时矫枉过正产生的波动和反应的滞后现象，
使调节控制更快、更准确。
《仪表选用及DCS组态》 2.5 前馈-反馈控制系统设计
所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的控制规律 为比例特性，即GB(0)=-GF(0)/GO(0) =-KB，其大小是 根据过程干扰通道的静态放大系数和过程控制通道的 静态放大系数决定的。例如在上图所示的换热器前馈控制 方案中，其前馈控制器的静态特性为KB=-Kf/KO。
（二）动态前馈控制系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.5.5 前馈控制系统的设计
汽包水位的前馈—串级控制系 （三冲量控制系统）
锅炉汽包水位控 制系统的任务是：使 给水量和锅炉蒸发量 相平衡，使锅炉汽包 水位维持在工艺规定 的范围之内。
影响汽包水位的 因素主要有：蒸汽负 荷变化干扰、给水量 的调节。
2.5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制 （feedforward control sysytem）是一种开环控 制，直接按干扰大小进 行控制，以补偿干扰作 用对被控变量的影响。
2.5.2 前馈控制的特点和局限性
（一）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 ③前馈控制器是专用控制器 ④前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的
右图为加热炉前馈— 串级复合控制系统示意图。
2.5.4 前馈控制系统的选用
①当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可 控的干扰时，可以引入前馈控制
②当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通 道的时间常数大时可以选用前馈控制。
③当主要干扰无法用串级控制方案使其包含在副回 路内，或者副回路滞后过大时，串级控制系统克服干扰 的能力就比较差，此时选用前馈控制能获得很好的控制 效果。
一般是在静态前馈控 制的基础上，加上延迟环 节或微分环节，以达到对 干扰作用的近似补偿。
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点前馈控制与反馈控制是控制系统中常用的两种控制方法。
它们各自具有一些优点和缺点，本文将对这两种控制方法进行详细说明。
一、前馈控制的优点：1. 响应速度快：前馈控制是根据预测模型进行控制，可以提前预测系统的变化趋势，因此能够快速响应外部干扰或参考信号的变化。
2. 稳定性好：前馈控制可以有效抑制系统的不稳定因素，提高系统的稳定性。
通过提前补偿干扰或参考信号，可以减小系统的误差，使系统更加稳定。
3. 控制精度高：前馈控制可以根据预测模型精确地计算出控制信号，避免了传统反馈控制中由于传递函数等原因引起的误差积累，从而提高了控制精度。
4. 抗干扰能力强：前馈控制可以提前补偿系统的干扰，减小干扰对系统的影响，从而提高系统的抗干扰能力。
二、前馈控制的缺点：1. 对系统模型的要求高：前馈控制需要准确的系统模型作为基础，如果系统模型存在误差或不准确，将会导致控制效果下降甚至失效。
2. 对干扰的预测能力有限：前馈控制是根据预测模型进行控制，对于无法准确预测的干扰或非线性因素，前馈控制的效果会受到限制。
3. 对系统参数的变化敏感：前馈控制的控制策略是基于系统模型的，一旦系统参数发生变化，需要重新设计前馈补偿器，对于参数变化频繁或不确定的系统，前馈控制的应用会受到限制。
三、反馈控制的优点：1. 对系统模型的要求低：反馈控制是根据系统的实际输出进行控制，不需要准确的系统模型作为基础，因此适用范围更广。
2. 适应性强：反馈控制可以根据系统的实际输出进行调整，能够适应系统参数变化和干扰的影响，具有较好的适应性和鲁棒性。
3. 控制效果稳定：反馈控制能够通过不断调整控制器的参数，使系统的输出逐渐趋近于参考信号，从而实现稳定的控制效果。
4. 易于实现和调试：反馈控制不需要准确的系统模型和预测算法，通常可以通过实验和试错的方式进行参数调试，具有较好的实用性和可操作性。
四、反馈控制的缺点：1. 响应速度较慢：反馈控制依赖于系统的实际输出，需要等待系统的响应，因此相对于前馈控制而言，响应速度较慢。
第五章2 前馈-反馈控制系统
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前馈—反馈控制系统框图
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
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5.2.2 前馈控制系统的结构形式
前馈—反馈控制系统优点：
(1) 由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统， 只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控 制予以校正； (2) 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为 工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；
K 1 K ] T2 s 1
T1 1时，有 T2 (T1/T2 )-1 T T s 1 1 1 1] K f 1 T2 s 1 T2 T2 s 1
W f ( s) K f [
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常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
K T s 1 正微分器的传递函数： W正 ( s ) d 1 T1s 1 T2 s 1 K d T2 s 1
Wm (s)
o ，则动态前馈控制器为
K f (T o s 1) Ko (Tf s 1) Km (T o s 1) Tf s 1
K o (T f s 1)
W f ( s) Wo (s)
如果 T f To ，则
Wm (s) Km (s)
显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时， 动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前 馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况。
(3) 负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补 偿，因此具有一定自适应能力。
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5.2.2 前馈控制系统的结构形式 前馈—反馈控制系统的局限性： (1) 前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制
阀，这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系
控制系统的反馈与前馈控制技术
控制系统的反馈与前馈控制技术控制系统是现代工程中不可或缺的一部分，它可以用来控制各种各样的系统，从机械装置到电子设备。
控制系统的设计和实现涉及多种技术和方法。
其中，反馈与前馈控制技术是两种常用的控制策略，它们对于提高系统的稳定性和性能至关重要。
本文将介绍控制系统的反馈和前馈控制技术，以及它们的应用和优势。
一、反馈控制技术反馈控制技术是一种通过测量系统输出并与期望输出进行比较，然后对系统进行调整的控制策略。
反馈控制系统通常包括传感器、控制器和执行器。
传感器用于测量系统的输出，控制器根据输出和期望输出之间的差异来指导执行器的行为。
反馈控制技术的基本原理是根据系统的实际运行情况进行实时调整，以达到期望的控制效果。
反馈控制技术具有许多优势。
首先，它可以对系统的不确定性和外部干扰做出快速响应，并自动调整系统以适应环境变化。
其次，反馈控制技术可以提高系统的稳定性和鲁棒性，减少系统运行过程中的波动和振荡。
最后，反馈控制技术还可以实现对系统输出的精确控制，使系统在不同的工作条件下始终保持期望的性能。
二、前馈控制技术前馈控制技术是一种根据系统输入的参考信号预测系统输出，并根据预测结果进行控制的策略。
前馈控制系统通常包括传感器、预测器和执行器。
传感器用于测量输入信号和系统输出，预测器根据输入信号的特征和系统的数学模型来预测系统输出的未来变化，执行器根据预测结果来调整系统的控制策略。
前馈控制技术的主要优势在于它可以通过提前预测和调整系统来消除输入信号对系统性能的影响。
这种技术可以在系统遇到外部扰动或变化时快速响应，从而提高控制系统的性能。
此外，前馈控制技术还可以减少系统运行过程中的误差和稳态偏差，使系统更加可靠和精确。
三、反馈与前馈控制技术的综合应用在实际控制系统中，反馈与前馈控制技术通常会综合应用，以充分发挥各自的优势。
综合应用反馈与前馈控制技术可以实现更加精确和稳定的控制效果，提高系统的性能和鲁棒性。
在一些高精度、高稳定性要求的系统中，反馈控制技术可以提供及时的误差修正，使系统能够在快速变化的工作环境中保持稳定。
前馈控制系统和反馈控制系统的区别
换热器控制方案
前馈控制
外部干扰：工业介质流量 控制变量：蒸汽流量 被控变量：出口温度
反馈控制
实现的经济性和可能性
前馈控制系统：必须对每一个干扰单独构成控制系统,才能克服所有干扰对 被控量的影响.
反馈控制系统：只用一个控制回路就可克服多个干扰.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.
稳定性问题
前馈控制系统：开环控制,不存在稳定性问题.
反馈控制系统：控制精度与稳定性相互矛盾,进而限制控制精度的进一步提 高.
前馈控制系统和反馈控制系统的区 别
任凭 20134373
前馈控制系统
前馈控制系统是基于补偿的原理,是根据扰动量的大小进行工作的,扰动 是控制的依据.由于前馈控制没有被控量的反馈信息,因此它是开环控制系统
.
扰动量检测元件、变送器
扰动d
前馈控制器
调节阀
被控过程
图1 前馈控制系统方框图
反馈控制系统
• 反馈控制系统是根据系统被控量和给定值之间的偏差进行工作的,偏差是 控制的依据,控制系统要达到减小或消除偏差的目的.
设定值r + 偏差e 控制器
执行器 控制量u
控制阀
扰动d 被控对象 被控量y 操纵量q
被控量检测元件、变送器 图1 前馈控制系统方框图
控制的依据不同
前馈控制系统：干扰.按干扰大小和方向产生相应的控制作用.
反馈控制系统：被控量.按被控量与设定值的偏差大小和方向产生相应的控 制作用.
控制的效果不同
控制规律不同
前馈控制系统：取决于被控对象,复杂.根据被控对象的特点选用不同调节规 律的专用调节器.
反馈控制系统：符合P、PI、PD、PID等典型规律.PID控制器、DCS、 PLC等.
第五章2前馈-反馈控制系统
5.2.3 前馈控制规律
2.模拟仪表实施
• KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。
WFF (s) K F
•
KF
T1 s T2 s
1 1
型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。
不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：
m
f
(t)
1
T2 T1 T2
T2s 1
-
+
输出
+
K
t
W
f
(s)
K
f
[
T2
K s 1
1
K
]
K T1 1 T2
令K T1 1时，有 T2
Wf
(s)
K
f
[(T1/T2 )-1 T2s 1
1
T1 T2
1]
Kf
T1s 1 T2s 1
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常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
(3)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，导致扰动通道 的传递函数和控制通道的传递函数的变化。
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5.2.2 前馈控制系统的结构形式
3．前馈-反馈控制系统
反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高 控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案.
误差分析： 由于对象干扰通道和调节通道的动态特性
不同所引起的动态偏差，这种偏差是静 态前馈控制无法避免的。
前馈控制和反馈控制
前馈控制、反馈控制及前馈反馈控制的对比1、前馈控制属于开环控制，反馈控制属于负反馈的闭环控制一般定值控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节，属于闭环负反馈调节。
其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节；如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。
因此反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用。
前馈调节是按照干扰作用来进行调节的。
前馈控制将干扰测量出来并直接引入调节装置，对于干扰的克服比反馈控制及时。
现在以换热器控制方案举例，直观阐述前馈控制和反馈控制：前馈控制方案反馈控制方案2、前馈控制系统中测量干扰量，反馈控制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、前馈控制需要专用调节器，反馈控制一般采用通用PID 调节器反馈调节符合PID调节规律,常用通用PID调节器、DCS等或PLC控制系统实现。
前馈调节使用的调节器是是根据被控对象的特点来确定调节规律的前馈调节器。
4、前馈控制只能克服所测量的干扰，反馈控制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、前馈控制理论上可以无差，反馈控制必定有差反馈调节使系统达到动态稳定，让被调参数稳定在给定值附近动态变化，却不能使被调参数稳定在给定值上不动。
前馈调节在理论上可以实现无差调节。
6前馈控制的局限性A、在生产应用中各种环节的特性是随负荷变化的，对象动态特性形式多样性难以精确测量，容易造成过补偿或欠补偿。
为了补偿前馈调节的不准确，通常将前馈和反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。
B、工业对象存在多个扰动，若均设置前馈控制器，那设备投资高，工作量大。
C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。
D前馈控制受到前馈控制模型精度限制。
E、前馈控制算法，往往做近似处理。
1、系统中存在频率高、幅度大、可测量而不可控的扰动时，可选用前馈控制。
第13讲前馈--反馈控制系统分析
第13讲前馈--反馈控制系统分析一、前馈——反馈复合控制系统1 前馈——反馈复合控制系统的基本概念前馈——反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其它的扰动信号，这样的控制系统就是前馈——反馈复合控制系统。
2 概念的理解：(1) 复合控制是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈控制和反馈控制；(2) 前馈控制的作用是对主要的扰动信号进行完全补偿，可以针对主要的扰动信号，设计相应的前馈控制器；(3) 引入反馈控制，是为了使系统能克服所有扰动信号对被调量产生的影响；因为除了已知的主要的扰动信号以外，系统中还存在其它的扰动信号，这些扰动信号对被调量的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们根本就考虑不到或无法测量，都通过反馈控制加以克服；(4) 系统中需要测量的信号既有被调量，又有扰动信号；3 前馈——反馈复合控制系统实例分析混合水温的前馈——反馈复合控制系统（如图3－12所示）。
热水调节阀冷水调节阀混合水温θ图3－12 混和水温复合控制示意图流量测量变送器前馈控制器温度测量变送器调节器执行器4前馈——反馈复合控制系统的组成前馈——反馈复合控制系统主要由以下环节构成：(1) 扰动信号测量变送器：对扰动信号进行测量并转换成统一的电信号； (2) 被调量测量变送器：对被调量进行测量并转换成统一的电信号； (3) 前馈控制器：对扰动信号进行完全补偿； (4) 调节器：反馈控制调节器，对被调量进行调节； (5) 执行器和调节机构(6) 扰动通道对象：扰动信号通过该通道对被调量产生影响；(7) 控制通道对象：调节量通过该通道对被调量进行调节；前馈——反馈复合控制系统的原理方框图如图3－13所示。
C++ 图3－13 前馈反馈复合控制系统原理图Z++-R +W D (s)W B (s)K z K fW ob (s)K mW r (s)K m为便于分析，通常可将前馈——反馈复合控制系统原理图进行简化，如图3－14所示。
热工控制系统课堂前馈反馈复合控制系统
S
zS
可得完全补偿旳条件：
WB
S
WDz S WT S WD
S
三、复合控制时，扰动对输出旳影响要比纯前馈时小得多 为便于比较，设系统为定值控制，即X(S)=0，专门讨论扰动
Z(S)对系统旳影响。因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(S)旳第二 项不可能完全为零，令其为△(S)，那么，纯前馈控制时：
y1S WDz S WB S WD S zS S zS
句话说，假如给水量降低10 %，经过30s旳时间，水位将下降
20m下m面。分别讨论多种扰动下水位变化旳动态特征。
（一）给水量扰动下水位变化旳动态特征
H
2
て2
1
て1 图7-4 给水量扰动时水位阶跃响应曲线
图7-4中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位动态特征。曲线2则是 非沸腾式省煤器时旳水位动态特征。
水位在给水扰动下旳传递函数可表达为：
旳水位允许变化范围为200mm，这个范围扰动量旳相对极限制为
100%。上式中:
dH dt
max
1 C
G
D
max
右边一项表达汽包内工质旳变化量，当给水量Ｇ＝0，而蒸发量 为最大时，变化量最大，所以有：
dH dt
max
1 C
Dmax
可见这时旳扰动量是下降旳。故有：
1 C
Dmax
H max Dmax H max 1 F
WB（S）
Z
X
WT（S）
-
WDZ
+ WD（S）
（S）+
Y
图7-2 复合控制系统原理方框图
WB（S）
Z
X
WT（S）
-
WDZ
+ WD（S）
热工控制系统课堂第七章前馈-反馈复合控制系统
测量元件
用于测量被控对象的输入信号 和输出信号，以便进行反馈控
制。
系统软件配置
控制算法
根据被控对象的特性和控 制要求，选择合适的控制 算法，如PID控制、模糊控 制等。
数据处理
对传感器和测量元件采集 的数据进行预处理和后处 理，以提高控制精度和稳 定性。
人机界面
提供操作人员与控制系统 交互的界面，方便操作人 员进行监控和调试。
系统调试与优化
参数调整
根据实际运行情况，对控制系统 的参数进行适当调整，以提高控
制效果。
性能测试
对控制系统的性能进行测试，包 括响应速度、控制精度、稳定性
等指标。
系统优化
根据性能测试结果，对控制系统 进行优化，包括硬件配置、软件
算法等。
05
前馈-反馈复合控制系统 的应用案例
工业过程控制中的应用
考虑抗干扰措施
针对可能存在的干扰因素，采取适 当的抗干扰措施，以提高系统的稳 定性和可靠性。
04
前馈-反馈复合控制系统 的实现
系统硬件配置
01
02
03
04
传感器
用于检测被控对象的输出信号 ，并将其转换为电信号或数字
信号。
控制器
接收传感器信号，根据控制算 法计算出控制信号，并输出到
执行器。
执行器
接收控制信号，驱动被控对象 进行动作。
02
前馈控制系统的设计
确定系统参数
01
02
03
输入参数
确定输入参数是前馈控制 系统的第一步，这些参数 通常包括温度、压力、流 量等。
输出参数
输出参数是系统需要控制 的变量，例如温度、压力 等。
过程参数
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目录
一、前馈控制系统设计
1、前馈控制系统选择原则
1.1 扰动量可测不可控原则 (2)
1.2 控制系统精确辨识原则 (2)
1.3被控系统自衡原则 (3)
1.4 优先性原则 (3)
1.5 经济性原则 (4)
2、工程整定
2.1 整定的总体原则
2.1.1 稳定性 (4)
2.1.2快速性 (5)
2.1.3 反馈控制的静差 (5)
3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5)
二、实例仿真 (6)
2.1前馈控制系统整定 (7)
2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7)
2.3、反馈控制系统整定 (8)
2.4、系统仿真 (9)
三、心得体会 (11)
四、参考文献 (12)
一、前馈控制系统设计
1.1 前馈控制系统选择原则
前馈控制系统的选择主要有一下原则：
1.1.1 扰动量可测不可控原则
扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。
如果干扰可控，则可通过控制方法消除扰动对系统的影响，而没有必要采用前馈这种迂回的方式，在被控系统“腹中”消除干扰的影响了。
例如在很多过程控制中，温度是一个主要干扰源。
温度可以测量（直接测量或间接测量），满足可测条件。
而在某些环境如实验室中，温度可以通过空调等进行调节（不满足不可控条件），将温度对控制对象的影响降到最低，这时就没有必要对温度采取前馈控制方式消除影响了。
而在很多现场情况下（如被控对象在室外等），温度不易调节（满足不可控条件），这时应采取前馈控制方式消除由于温度对系统的影响。
1.1.2 控制系统精确辨识原则
控制中的每一个环节的传递特性都应能精确辨识。
作为开环控制，构成前馈控制系统中的任何一个环节都应尽可能准确，因为开环控制系统中的任何一环节对系统的控制精确度都有一定影响。
相比之下，闭环控制对系统中环节的要求要“松”得多。
1.1.3被控系统自衡原则
在非自衡系统中不能单独使用前馈控制。
前馈控制本身是开环控制系统，不改变被控系统的非自衡性，所以这样的系统应先构成自衡系统才能采用前馈控制。
1.1.4 优先性原则
采用控制系统中的优先性依次是：反馈控制、静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制。
由于反馈控制能时刻监控被控对象的被控参数，能保证在所有干扰下，将被控参数的变动控制在允许范围之内。
所以，系统应优先考虑采用反馈控制。
当存在反馈控制难以克服的频率高、幅值大、对被控参数影响显著、可测而不可控的扰动或控制系统通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的控制效果时，为了改善和提高系统的控制质量，可以引入前馈控制。
在实际工业生产过程中，尤其当过程扰动通道与控制通道的时延相差不大时应用静态前馈控制可获得较高的控制精度。
静态前馈控制只能保证被控制参数的静态偏差接近或等于零，不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，不能消除过度过程中所产生的动态偏差。
当需要严格控制动态偏差时，就要采用动态前馈控制。
当被控对象的干扰较多，或不能精确辨识干扰对被控对象的影响时，可以采用前馈-反馈控制。
利用前馈控制对主要干扰对象进行控制，通过反馈控制抑制由于辨识不精确以及其他干扰引起的误差。
也就是说，前馈-反馈控制系统将干扰分成两个等级，对影响大的干扰采用前馈补偿，保证系统输出不会有过大的波动，对于影响小的干扰允许引起系统输出的偏差，通过偏差进行补偿。
当被控对象较复杂，干扰较多，要求控制较为精细时，应采用前馈-串级控制。
1.1.5 经济性原则
静态前馈控制简单，一般采用比例调节器或比值器就能满足使用要求。
而通常动态前馈控制要采用专用的控制器，投资高于静态前馈控制，所以，若静态前馈能达到工艺要求时，则首先选用静态前馈控制。
2、工程整定
2.1 整定的总体原则
前馈控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性和反馈控制的静差问题。
2.1.1 稳定性
稳定性是控制系统正常工作的首要条件。
对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况，更涉及干扰扰动问题。
干扰对过程控制的影响主要体现在：系统模型识别精确性降低、系统模型参数离散性变大、系统远离原模型静态工作点、系统工作进入非线性区等。
干扰的主要后果是使控制系统处于不稳定，甚至处于不安全工作状态。
2.1.2快速性
应保证系统响应的快速性。
2.1.3 反馈控制的静差
在稳态时，反馈控制应能较好地反应系统的控制要求，应做到系统响应和控制要求的一致，故系统跟踪不应存在静差。
3、前馈-反馈复合系统工程整定
前馈-反馈复合控制的工程整定方法主要有：
统，并对前馈控制系统进行整定。
二、实例仿真
系统按结构分类，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。
其中，前馈-反馈复合控制系统的特点是利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰以及前馈所“遗留”部分干扰。
前馈调节器和反馈调节器的整定方法如前所述。
一般为了实现系统无静差，反馈调节器多选PI控制方式。
前馈反馈复合控制系统仿真主要包括：系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容。
其中控制系统整定包括前馈控制系统整定和反馈控制系统整定两部分。
本例采用前馈、反馈分别整定的方法。
假设被控对象传递函数中各部分传递函数如下：
e-10s
干扰通道传递函数为：G f(s)G2(s)=15
(81)(10s1)
s++
e-8s
系统被控部分传递函数为：G1(s)G2(s)=6
s++
(51)(10s1)
给定部分传递函数为：Gc(s)=1
2.1前馈控制系统整定。
由于采用前馈反馈分别整定方法，所以，前馈整定参数为：K d=-2.5, T dl=8。
若系统采用PID控制，则系统结构框图如图：
2.1.1前馈-反馈复合控制系统方框图
2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。
系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。
对2.1.1所示系统反馈环节中开环稳定性分析(不含PID调节器部分)，为分析方便，取：
不含PID调节器的开环传递函数可近视写成：6
+++ 2
(3s1)(10s1)(5s1)
开环Bode图如图2.2.1所示，可见开环系统不稳定。
2.2.1反馈控制(不含控制器)开环Bode图
2.3、反馈控制系统整定。
本例反馈控制器取为PI形式。
采用阶跃响应法整定PI参数。
开环阶跃响应Simulink框图如图所示。
单位阶跃响应曲线如图2.3.1所示。
2.3.1开环阶跃响应Simulink框图
2.3.2开环系统单位阶跃响应
u=1。
因此得：
2.4、系统仿真。
利用各整定参数及系统模型辨识结果构建系统前馈-反馈复合控制Simulink框图2.4.1所示，其中各个模块的具体结构如2.4.2所示，仿真结果如2.4.3所示。
2.4.1 系统前馈-反馈复合控制Simulink框图
2.4.2系统主要模块结构图
2.4.3 系统前馈-反馈复合控制Simulink仿真结果
采取前馈-反馈复合控制系统比单纯采取前馈控制提高了系统控制品质。
三、心得体会
通过本例的仿真，我们认识到前馈-反馈复合控制方法相比传统PID控制，具有稳定性好、自适应性好、能显著提高系统控制品质等有点。
在这次仿真过程中，我们查阅了自动控制系统的相关材料，一定程度上对自动控制系统和其发展现状有了认识了解。
根据仿真要求，我们经过对系统参数进行分析和整定，得到了仿真结果并对结果进行分析，进一步了解到了，前馈-反馈复合控制系统的特点。
在做的过程中，我们遇到了问题都尽力通过查阅资料解决，不过还有一定的不足，促使我们在以后学习中努力补缺补漏加以解决。
总得来说，通过这次实例仿真，使我们对过程控制系统有了更深入的了解，进行理论与实践的结合，为我们以后的学习和工作打下了更好的基础，在今后的日子里，我们将理论与实践更深入结合，充分运用于工作中。
四：参考文献
[1]孙优贤.工业过程控制技术-应用篇.北京：化学工业出版社，2006.1：79-135
[2] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88
[3] 邵裕森.过程控制工程（第二版）.北京：机械工业出版社，2004.8：45-90
[4] 翁维勤.过程控制系统及工程. 北京：化学工业出版社，2002.7：42-62
[5] 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2003：126-135
[6] 何希才.传感器及其应用电路.北京：电子工业出版社，2001.3：134-150。