第五章 前馈控制系

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—反馈复合控制系统摘要流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。

锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。

本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。

首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。

然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。

同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。

随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真目录一．前馈控制1.前馈控制的定义2.换热器前馈控制二．前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点2.前馈控制的局限性三．反馈控制1.定义2.反馈控制的特点四．复合控制系统特性1.前馈-反馈复合控制原理2.复合控制系统特点五．小结六．参考文献一、前馈控制1.前馈控制的定义前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。

2.换热器前馈控制在热工控制系统中，由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。

从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。

考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。

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。

在阶跃干扰作用下下，如果前馈调节作用和干扰作用的响应曲线方向相反，幅值相同。

则它们的合成结果，可使达到理想的控制：连续地维持在恒定的设定值上，这称为全补偿。

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。

第5章前馈控制系统第五章前馈控制系统 5.1 前馈控制系统的特点产生前馈控制的背景：有些生产过程中采用常规反馈控制系统无法满足工艺的要求。

(a)反馈控制 (b)前馈控制前馈控制系统的补偿过程前馈控制理论基础是“不变性原理”或“干扰补偿理论”。

G PD (s)、G PC (s)分别为对象干扰通道与控制通道的传递函数。

系统对干扰F 实现完全补偿的条件：把上式代人(5-1)，可得前馈控制器得传递函数：F前馈控制方框图)()()()()(S G S G S G S F S PC ff PD +=Θ)()()(0)(,0)(S G S G S G S S F PC PD ff -=≡Θ≠（5-1）（5-3）（5-2）从(5-3)可以看出，前馈控制器的控制规律为对象的干扰通道与控制通道的特性之比，式中的“负”号表示控制作用与干扰作用的方向相反。

前馈控制特点：1、前馈控制按干扰作用的大小进行控制，比反馈控制要及时。

2、前馈控制属于开环控制。

3、前馈控制器是视对象特性而定的“专用”控制器。

4、一种前馈控制只能控制一种干扰。

5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式(1)动态前馈控制如下图所示换热器前馈控制系统即为单纯的动态前馈控制。

作用：通过合适的前馈控制规律的选择，使干扰经过前馈控制器至被控变量这一通道的动态前馈控制器得传递函数：（2）静态前馈控制定义：前馈控制器的输出M ff 仅仅是输入量的函数，而与时间因子t 无关，称为静态前馈控制。

适用范围：一般对于补偿要求不高或干扰通道与控制通道的动态响应相近，均可采用静态前馈控制。

对于一些较简单的对象，有条件列写有关参数的静态方程时，则可按照方程求得静态前馈控制方案。

例如：如图所示，换热器温度控制系统中，主物料流量F 与进料量温度θ为主要干扰，忽略热损失。

则热量平衡式为：C p —物料的比热容F )()()(SG S G S G PC PD ff -=SS p hF c F ?=-?)(21θθh s —蒸气的汽化潜热由上式可求得，静态前馈控制方程式为：静态前馈控制流程原理图5.2.2 前馈-反馈控制系统单纯前馈控制的存在问题：(1)单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。