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。
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
(+
T
s
D
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10
1
=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 PC
PD ff -= （2.4-12）
2.4
-
1
2
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 d
ff e S T S T K
S G +-++-= （2.4-13） ⑴超前滞后环节
1
111+-+=++S T K K S T S T f f P （2.4-14） 1-=f
P T 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
S e f f s f τττ
(2.4-16)
当f τ较小时，Λ
Λ++++-+
-
==--2)2(212)2(212222s s s e e e f f
f f
s
S s f
f
f τττττττ =s s f f 2121ττ+- （2.4-17） 2111)(L L f P d
ff e S 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-
+-=
-S
S e f f s f τττ
（2.4-19）
近似展开。
此种“超前—滞后”前馈补偿模型，已成为目前广泛应用的一种动态前馈补偿模式。这种通用型前馈控制模型在单位阶跃作用下的输出特性为：
1
)11(1)(T t
e t m αα--+=
（2.4-20）
式中，1
2T T T T P f
==α，α<1，f T < P T 过补偿；α>1，f T >P T 欠补偿。 相应于α<1与α>1 的时间特性曲线
示于图2.4-14及2.4-15。
图 2.4-14 过补偿 （α<1） 图
2.4-15 欠补偿（α>1）
由图可见，当α>1时，即f T >P T ，前馈补偿带有超前特性，适用
于对象控制通道滞后(这里的滞后是指容量滞后，即时间常数)大于干
扰通道滞后。而若 <1时，即
T< P T，潜亏补偿带有滞后性质，适
f
用于控制通道的滞后小于干扰通道的滞后。
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： ) (≠ 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dθ的响应曲线方向相反，幅值相同。因此它们的合成结果，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
思考题与习题 6-6 具有纯滞后补偿的控制系统如图6-12所示，采样周期1T s =，对象为 221()1 s s G s e e s --= +， 求Smith 预估器的控制算式)(k y τ。 解 则预估器的传递函数为 21 ()()(1)(1)1 s s G s G s e e s ττ--=-= -+ 2()1()(1)()1 s s Ts Y s e G s e U s e s ττ----=-=+ () ()()(3)dy t y t u t T u t T dt ττ+=--- ()(1) ()(1)(3)y k y k y k u k u k T τττ--+=--- ()0.5(1)0.5(1)0.5(3)y k y k u k u k ττ=+---－ 6-12 前馈控制结构图如图6-18，设被控对象的干扰通道和控制通道的传递函数分别为 s n e s s G 4191)(-+= s e s s G 21 301 )(-+= 采样周期T =1s 。试推导完全补偿前馈控制器()n D z 输出()n u k 。 解 () Y s 图6-12 具有纯滞后补偿的控制系统
s s s n n n e s s e s e s s G s G s N s U s D 2241 91301 301191 )()()()()(---++-=++-=-== 相应的微分方程为： )]2() 2(30[)()(9 -+--=+t n dt t dn t u dt t du n n 对上式进行离散化，得： )]2() 12 ()2(30[)()1()(9T k n T T k n T k n k u T k u k u n n n -+-----=+-- s T 1= ∴ 上式为： )2()]3()2([30)()]1()([9------=+--k n k n k n k u k u k u n n n )3(30)2(31)1(9)(10-+---=k n k n k u k u n n 即 )3(3)2(1.3)1(9.0)(-+---=k n k n k u k u n n 此式即为完全补偿前馈控制器的控制算法。 注意：1、除了上面的2道题外，第6章要求过的还有： 6-2 ：参考课本内容及例题 6-3（包括响应曲线）：参考课本内容及例题 6-11：参考课本图6-17和图6-22 第6章这些题要求全面掌握！ 2、理解： 下图是一个简单的水位控制系统。 ⑴试说明它的工作原理。 ⑵指出系统的被控对象、被控量、给定量（输入信号）。 ⑶画出系统工作原理的方框图。 进水 出水 h 水位 高度
自动控制原理第六章课后习题答案（免费） 线性定常系统的综合 6－1 已知系统状态方程为： ()100102301010100x x u y x ? -???? ? ?=--+ ? ? ? ?????= 试设计一状态反馈阵使闭环系统极点配置为－1，－2，－3. 解: 由()100102301010100x x u y x ? -???? ? ?=--+ ? ? ? ?????=可得: (1) 加入状态反馈阵()0 12K k k k =,闭环系统特征多项式为: 32002012()det[()](2)(1)(2322)f I A bK k k k k k k λλλλλ=--=++++-+--+- (2) 根据给定的极点值,得期望特征多项式: *32()(1)(2)(3)6116f λλλλλλλ=+++=+++ (3) 比较()f λ与*()f λ各对应项系数,可得:0124,0,8;k k k === 即:()408K =
6－2 有系统： ()2100111,0x x u y x ? -????=+ ? ?-????= （1） 画出模拟结构图。 （2） 若动态性能不能满足要求，可否任意配置极点？ （3） 若指定极点为－3，－3，求状态反馈阵。 解(1) 模拟结构图如下: (2) 判断系统的能控性； 0111c U ?? =?? -?? 满秩，系统完全能控，可以任意配置极点。 (3)加入状态反馈阵01(,)K k k =,闭环系统特征多项式为: ()2101()det[()](3)22f I A bK k k k λλλλ=--=+++++ 根据给定的极点值,得期望特征多项式: *2()(3)(3)69f λλλλλ=++=++ 比较()f λ与*()f λ各对应项系数,可解得:011,3k k == 即:[1,3]K =
第五章计算机控制系统软件设计中国石油大学信息与控制工程学院自动化系
5.1 概述 五数字控制器的工程实现六工业控制组态软件三测量数据预处理技术5.2 5.3 5.4
计算机控制系统软件是工业控制机的程序系统，是控制理论和控制算法的实现载体和运行平台。 ●包括系统软件、支撑软件和应用软件 系统软件管理计算机资源，支持计算机基本操作（windows）。 对应用软件开发起支撑作用的软件平台（Word，Visual C++等） 应用软件针对某类实际应用问题研制（控制、显示等程序）。 计算机控制系统的软件设计指应用软件的设计。 ●计算机控制系统应用软件设计方法 方法1：由用户利用计算机语言自行编制 方法2：利用商品化组态软件进行模块组态
1. 控制系统对软件的要求 ●易理解、易维护 指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。 ●实时性 要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。 ●可测试性 比较容易制定出测试准则，并根据这些准则对软件进行测试； 软件设计完成后，首先在模拟环境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证明正确无误后才可投入实际运行。
●可靠性 运行参数环境发生变化时，软件能可靠运行并给出准确结果，即软件应具有自适应性； 工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。 ●准确性 算法选择、位数选择等要符合要求。
2. 计算机控制系统中应用软件的功能 ●实时数据采集和实时控制输出 ●运行控制算法，实现实时控制决策 ●动态画面实时监控 ●历史数据存储与趋势查询 ●数据报表生成与打印 ●实时报警与报警记录存储 ●与上层系统进行数据通信 ●系统的自诊断、掉电处理与其他功能
第6章 思考题与习题 1．基本练习题 （1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？ 答： 串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的改善。 （2）前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质？ 答： 前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。 反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。 采用前馈－反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响；另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。 （3）前馈控制系统有哪些典型结构形式？什么是静态前馈和动态前馈？ 答：静态前馈：是指前馈补偿器的静态特性，是由干扰通道的静态放大系数和控制通道的静态放大系数的比值所决定的，它的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于零，而不考虑其动态偏差。 动态前馈：必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性加以确定，鉴于动态补偿器的结构复杂，只有当工艺要求控制质量特别高时才需要采用动态前馈补偿控制方案。 （4）单纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用？ 答： 因为前馈控制做不到对干扰的完全补偿： 1）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。对不可测的干扰则无法实现前馈控制；2）在实际生产过程中，影响被控参数变化的干扰因素是很多的，不可能对每一个干扰设计和应用一套前馈补偿器；3）前馈补偿器的数学模型是由过程的动特性()F G s 和0()G s 决定的，而()F G s 和0()G s 的精确模型是很难得到的；即使能够精确得到，由其确 定的补偿器在物理上有时也是很难实现的。 （5）简述前馈控制系统的选用原则和前馈控制系统的设计。 答： 1）前馈控制系统的选用原则为：
第五编 一、单项选择题 1、注重于对已发生的错误进行检查改进属于（ C ）。 A、前馈控制 B．现场控制 C．反馈控制 D．直接控制 2、在控制的基本过程中，衡量实际工作主要解决的问题是（ D ）。 A．衡量什么 B．制定标准 C．如何衡量 D．A和C 3、实施控制的关键性步骤是（ D ）。 A 选择关键点 B拟定标准 C．选择控制技术 D．建立控制系统 4、控制工作得以展开的前提是（ A ）。 A建立控制标准 B分析偏差原因 C采取矫正措施 D明确问题性质 5、"治病不如防病，防病不如讲究卫生"根据这一说法，以下几种控制方式中，哪一种方式最重要：A A前馈控制 B现场控制 C反馈控制 D直接控制 6、控制过程的第一步是（ D ） Ａ进行预测Ｂ科学决策Ｃ分析判断Ｄ确定标准 7、控制工作的基本目的是（ C ） A 维持现状 B 打破现状 C 激励现状 D 突破现状 8、统计分析表明，"关键的事总是少数，一般的事常是多数"，这意味着控制工作最应重视（ A ）Ａ突出重点，强调例外Ｂ灵活、及时和适度Ｃ客观、精确和具体Ｄ协调计划和组织工作。 9、控制工作使管理过程形成了一个（ A）的系统： A 相对封闭 B 绝对封闭 C 相对开放 D 绝对开放 10、进行控制时，首先要建立标准。关于建立标准，下列四种说法中哪一种是正确的? A、标准应该越高越好 B、标准应考虑实施成本 C、标准应考虑实际可能 D、标准应考虑顾客需求11．能够有效地监督组织各项计划的落实与执行情况，发现计划与实际之间的差距，这一管理环节是（ C ）。 A．领导 B．组织 C．控制 D．协调 12．以下列举了现场控制必备的条件，除了（ D ）项。 A．较高素质的管理人员 B．下属人员的积极参与C．适当的授权 D．部门的明确划分 13．即时控制通常又被称作（ D）。 A．前馈控制 B．反馈控制C．作业控 制 D．现场控制 14．在集中控制中，信息处理、偏差检测、纠偏措施的拟定等都是由（ A）统一完成的。 A．控制中心B．最高决策层 C．中级管理 层 D．监督机构 15．将组织管理系统分为若干相对独立的子系统，每一个子系统独立地实施内部直接控制，这就是（ B）。 A．分散控制B．分层控制C．集中控 制 D．内部控制 16．控制活动过程中，管理人员所在的部门、所处的管理层次不同，实施控制的主要任务也不尽相同。一般来说，（ A）主要从事例行的、程序性的控制活动。 A．高层管理人员B．中层和基层管理人员C．重点部门管理人员D．科研部门管理人员 17．一个组织的全部行为活动构成控制的（ B）。 A．目的 B．客体 C．媒体 D．主体 18．控制系统是指由（D ）组成的具有自身目标和功能的管理系统。 A．控制主体、控制客体和控制载体B．控制实体、控制客体和控制媒体 C．控制主体、控制客体和控制目的 D．控制主体、控制客体和控制媒体 19．控制应当从实际目标出发，采用各种控制方式达到控制目的，不能过分依赖正规的控制方式，也要采用一些能随机应变的控制方式和方法。这就是控制的（B ）。 A．随机性原则B．灵活性原则C．多变性原 则D．弹性原则
第六章典型过程控制系统应用方案 第一节热交换器温度反馈—静态前馈控制系统 一、生产过程对系统设计的要求 1．系统简介：如图6-1所示。 把煤气发生炉来的一氧化碳同水蒸气的混合物转换生成合成氨的原料气。这种冷、热介 质的热量交换是通过热交换器来完成的。 图6-1 热交换器及其有关工艺参数 2．对系统要求： （1）为了节省能量，利用生产过程中产生的废热热源（成品、半成品或废气、废液）。 （2）不希望对其流量进行调节。 （3）设计控制系统。 二、系统组成 1．控制方式选择：根据热交换器温度反馈情况，选择静态前馈控制系统。 2．系统组成： （1）热量计算公式：根据稳态时的热平衡关系，忽略其它因素（散热损失等）， （2）静态前馈函数计算关系式： （3）静态前馈函数的实施线路：如图6-2的虚线框中所示。 图6-2 热交换器温度反馈—前馈控制系统的组成
（4）讨论：根据式（6-2）知，当T h1、T h2、T c1或Q1中的任意一个变量变化时， 其变化都可以通过前馈函数部分及时调整流量Q2； 使这些变量的变化对被控制变量T c2的影响得到补偿。 三、仪表静态参数的设置 1．关键参数：比值器的系数α、加减器的偏置信号I5。 2．主要参数设置： 设：K=C1/C2=1.20，T h1=380℃，T h2=300℃，T c1=150℃，T c2=260℃，Q1=0.125m3/s，Q2=0.109 m3/s。 （1）T c2温度变送器的仪表转换系数计算： （2）温差变送器的仪表转换系数计算： （3）流量变送器转换系数计算： （4）各个变送器的输出信号值计算： （5）比值器的系数α计算： 3．结论： （1）由T c2温度变送器、PID调节器、PI调节器、Q2流量变送器、电/气转换器与Q2控制阀门组成一个串级调节系统。T c2为主被调节变量，Q2为副被调节变量。 （2）这个串级调节系统与静态前馈函数计算回路组成一个复合调节系统。 （3）这种控制系统对于来自Q2、T c1、T h1、T h2或Q1的扰动，效果良好。 第二节单回路控制系统的应用 牛奶类乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备控制系统 应用：非常广泛地应用。 据统计，在一个年产30万吨合成氨的现代化大型装置中，约占85%。
第六章系统的性能指标与校正 本章目录 6.1 控制系统设计的基本思路 6.2 串联校正装置的结构与特性 6.3 基于频率法的串联校正设计 6.4 基于根轨迹的串联校正设计 小结 本章简介 在本书第一章，曾指出控制理论学习的两大任务是系统的分析和系统的设计。在第二章到第五章，我们从时域和频域两个角度分析了控制系统的稳定性、相对稳定性和及其性能指标。本章考虑如何根据系统的要求或预定的性能指标对控制系统进行分析。 一个控制系统一般可分解为被控环节、控制器环节和反馈环节三个部分，其中被控部分和反馈部分一般是根据实际对象而建立的模型，不可变的，因此根据要求对控制器进行设计是控制系统设计的主要任务。同时需要指出，由于系统设计的目的也是对系统性能的校正，因此控制器（又称补偿器或调节器）的设计有时又称控制系统的校正。 本章内容包括了无源控制器设计、有源控制器设计（PID控制器）两个内容，重点介绍控制器的结构、校正原理和设计方法。 6.1 控制系统设计的基本思路
一般的控制系统均可表示为如图6－1的形式， 是控制系统的不可变部分，即被控对象， 为反馈环节。未校正前，系统不一定能达到理想的控 制要求，因此有必要根据希望的性能要求进行重新设 计。在进行系统设计时，应考虑如下几个方面的问题： （1）综合考虑控制系统的经济指标和技术指标，这 是在系统设计中必须要考虑的。 （2）控制系统结构的选择。对单输入、单输出系统，一般有四种结构可供选择：前馈校正、串联校正、反馈校正和复合校正，其框图如图6－2。考虑到串联校正比较经济，易于实现，且设计简单，在实际应用中大多采用此校正方法，因此本章只讨论串联校正，典型的校正装置有超前校正、滞后校正、滞后－超前校正和PID校正等装置。 （3）控制器或校正装置的选择。校正装置的物理器件可以有电气的、机械的、液压的和气动的等形式，选择的一般原则是根据系统本身结构的特点、信号的性质和设计者的经验，并综合经济指标和技术指标进行选择。本书我们以电气校正装置作为控制器，详述有源和无源装置的工作原理和设计方法。其思想方法同样适用于其它类型的校正装置设计。 （4）校正手段或校正方法的选择。究竟采用时域还是频域方法，须根据控制系统性能指标的表达方式选择。控制系统的性能指标通常包括动态和静态两个方面。动态性能指标用于反应控制系统的瞬态响应情况，它一般可用时域性能指标和频域指标两 个方面：1）时域性能指标：调整时间 、上升时间 、峰值时间 和最大超调量 等；2）频域性能指标：开环指标包括相位裕量 、增益裕量 ；闭环指标包括谐 振峰值 、谐振频率 和频带宽度 等。 在进行系统设计时，若所使用的指标是时域指标，则一般宜用根轨迹法进行设计，使闭环系统的极点重新配置；若所使用的指标是频域指标，宜用频率法（如伯德图或极坐标）进行设计。 最后需要指出，由于电子技术和计算机技术的发展，目前实际系统中大量采用的控制器是有源校正装置，如典型的PID调节器，但正如下文大家将看到的，无源校正与有源校正尽管组成形式有差别，但它们的工作原理是相同的。
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：
) (≠ 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dθ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
第六章 6.7解： 系统为流量前馈-反馈控制系统。 对于流量F 1的扰动，通过前馈调节器来消除；对于F 2流量自身的扰动，通过该回路的反馈控制来克服。如果为了保证液位恒定，可以继续引入液位闭环控制。 6.8解： ① 系统为前馈-串级控制系统。 ② 控制系统框图如下： ③ 内环等效传递函数设为G 2(s)，有： 20222022()()()3637 ()1()()()()21 37 c v c v m G s G s G s G s G s G s G s G s s ==++ 根据不变性原理有： 201()()()()0ff PD G s G s G s G s -=，可得前馈调节器的传递函数G ff (s)为： 201() 237()()()216 PD ff G s s G s G s G s += =
- ④由于调节阀为气开式，其静态放大系数为“+”。对于副对象，增大调节阀开度，则蒸汽流量增加，因此副对象的放大系数为“+”，流量变送器的放大倍数为“+”，根据副环放大倍数符号位“+”的原则，副调节器符号应为“+”，故选择反作用；对于主对象，蒸汽流量增加，则供热量增加，出口温度增大，因此主对象的放大系数为“+”，温度变送器的放大倍数为“+”，根据主环放大倍数符号位“+”的原则，主调节器符号应为“+”，故选择反作
用。 6.9解：前馈反馈和串级控制在结构上的区别是， 串级控制的主回路和副回路都是闭环负反馈控制系统。前馈反馈控制系统中的前馈控制是一开环控制，反馈控制是一闭环负反馈控制。因此，从结构上看，串级控制的两个参数都是闭环控制，而前馈反馈中，只有一个参数闭环控制，另一个参数是开环控制方式。由此，图6.9(a)中原油流量参数是开环控制，原油温度为闭环控制，因此为前馈反馈控制；图6.9(b)中原油温度和燃料油流量两个参数均为闭环控制，因此为串级控制。