前馈控制系统和反馈控制系统的区别

控制系统中前馈控制与反馈控制的区别【摘要】文中主要阐述在自动控制系统中前馈控制与反馈控制之间的区别以及内在的联系。

【关键词】前馈控制;反馈控制自动控制系统中主要包含两大类控制，一种是前馈控制，另一种是反馈控制。

在自动控制系统中，反馈控制是闭环控制，所谓的闭环控制是将输出信号反送到控制器的输入端与给定值（给定控制信号）进行比较，得到偏差信号作为控制器的输入信号。

（如何构成的“环路”？对整个控制系统来讲包含两条主要通路信号，一条是从控制器传送到控制对象的前向通道信号，还有一条是从控制对象反馈到控制器输入的反向信号，整个系统构成一个闭和的环路，因此称为闭环）。

前馈控制则是指不存在给定信号与控制对象的输出信号进行比较的过程，直接对控制对象进行控制的一种控制方式，是一种开环的控制方式。

它是在从给定值到控制对象的称为“前向”控制通道上加上控制信号的一种控制方式。

因此称为“前馈”。

前馈控制一般由前馈控制器完成，前馈控制器输出到“前向通道”的信号（作用在控制系统的信号）称为前馈信号。

前馈控制器的输入一般是对系统的某种扰动进行检测和处理后的信号。

那么二者之间究竟有怎么的区别和联系，笔者对此做了以下的见点介绍。

图1 反馈控制框图图2 前馈控制框图上面的两个框图分别是反馈控制框图和前馈控制框图，从图上分析可知二者之间的区别：1.所测量的信号量不同，前馈系统中所测的信号量是干扰量，反馈系统中所测量的信号量是被控变量。

一般反馈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的，这都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。

所以反馈系统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。

它的特点是把干扰测量出来，直接引入调节装置。

不像反馈控制那样一定要产生偏差后再来调节，所以前馈控制系统能很好的克服干扰的作用。

2.前馈控制根据其特定的控制规律需要用专用调节器，反馈控制一般只需采用通用调节器即可。

前馈和反馈结合的例子
前馈和反馈是控制系统中两种不同的反应方式。

前馈是指在进行控制前对系统进行干预来预测和避免潜在的问题。

反馈则是指根据系统的输出来调整控制输入，以实现期望的系统响应。

以下是前馈和反馈结合的几个例子：
1. 自动驾驶汽车
自动驾驶汽车使用前馈控制来预测和避免潜在的危险。

例如，车辆可以使用雷达和摄像头来检测前方的障碍物，并在接近障碍物之前自动减速或停止。

同时，汽车还使用反馈控制来保持车辆的稳定性和方向控制，以确保车辆沿正确的路径行驶。

2. 温度控制器
温度控制器使用前馈控制来调整加热器的输出，以尽量减少温度变化的时间。

例如，当温度控制器检测到温度下降时，它会立即增加加热器的输出，以让温度尽快恢复到设定的目标温度。

同时，温度控制器也使用反馈控制来确保温度稳定在设定的目标值附近。

3. 无人机飞行控制器
无人机飞行控制器使用前馈控制来预测和避免潜在的飞行问题。

例如，当无人机遇到强风时，飞行控制器会根据风速和方向调整飞行路径，以确保无人机能够稳定地飞行。

同时，飞行控制器还使用反馈控制来保持无人机的平衡和飞行稳定性。

综上所述，前馈和反馈结合的控制系统可以更好地预测和避免潜在的问题，并实现期望的系统响应。

前馈概念：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小来改变控制量，以消除或减小扰动对被控量的影响。

由于被控量的偏差并不反馈到控制器，而是将扰动量前馈到控制器，所以叫前馈控制系统。

与反馈控制系统的区别：反馈控制是按被控量的偏差进行控制的。

它的前提条件是被控量必须偏离设定值。

前馈控制是按扰动量的变化进行控制的，被控量的偏差并不反馈到控制器。

6章：比值控制系统的概念：凡实现两个或两个以上参数维持一定比例关系的的控制系统。

分为两种形式：一、定比值控制系统1、开环比值控制系统2、单闭环比值控制系统，（解决的问题：不但可以实现副流量随主流量的变化而变化，还能克服副流量本身干扰对比值的影响，确保主、副流量比值不变。

）3、双闭环比值控制系统，（解决的问题：克服了主流量的扰动，而且使主、副物料总量恒定。

）二、变比值控制系统。

5章：串级控制系统的特点：1、串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力。

2、由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统响应速度。

3、提高系统的工作效率，改善了系统控制质量。

4、串级系统有一定的自适应能力。

串级系统形成两个闭环。

内回路（副回路）在控制过程中起粗调作用。

外回路（主回路）用来完成细调任务，以最终保证被调量满足生产要求。

主回路设计原则：尽量选择直接反映控制目的的参数为主变量，不行时选择与控制目的有某种单指对应关系的间接参数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。

副回路设计原则：1、副回路应包括被控对象所受到的主要干扰2、参数的选择应使府湖路的时间常数小，控制通道短。

反应灵敏。

3、主、副回路工作频率应适当匹配。

为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分环节，有主要扰动落在副回路外的，可以考虑采用PID控制器。

副控制器最好不带积分环节，因为积分环节会使跟踪变得缓慢。

一般只选P控制器就行。

控制器的正、反作用的选择顺序就是先副后正。

控制系统的设计核心就是调节器的设计，也就是调节规律的确定和调节器参数的整定。

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自动控制系统中两种常见的控制策略。

它们各自具有优点和缺点，在不同的应用场景下有不同的适用性。

我们来了解一下前馈控制。

前馈控制是一种通过提前预测并补偿系统的输入来实现控制的方法。

它基于系统模型，通过预测系统的响应，提前计算出所需的控制输入，并将其直接应用于系统中。

这样可以在系统受到干扰或变化时，快速地对其进行补偿，从而提高系统的鲁棒性和响应速度。

前馈控制的优点主要体现在以下几个方面。

首先，它可以有效地抑制系统的干扰和变化，因为它是基于模型进行控制的，可以提前计算出所需的控制输入。

其次，前馈控制的响应速度较快，因为它直接作用于系统输入，不需要等待系统输出反馈信息。

此外，前馈控制可以提高系统的跟踪性能，因为它可以根据系统模型预测未来的输出，并提前作出调整。

然而，前馈控制也存在一些缺点。

首先，它对系统模型的准确性要求较高。

如果系统模型存在误差或不确定性，前馈控制可能会导致控制性能下降甚至系统不稳定。

其次，前馈控制无法直接根据系统输出进行调整，因此在系统模型发生变化时，需要重新设计和调整前馈控制器。

此外，前馈控制对传感器的精度要求较高，因为它无法对系统的实际状态进行监测和补偿。

接下来，我们来了解一下反馈控制。

反馈控制是一种通过监测系统的输出并与期望输出进行比较来实现控制的方法。

它通过将输出信号与期望信号进行比较，并根据比较结果来调整系统的控制输入，以使系统输出逼近期望输出。

这种控制策略可以根据系统的实际状态进行实时调整，具有较高的适应性和稳定性。

反馈控制的优点主要体现在以下几个方面。

首先，反馈控制可以根据系统的实际输出进行调整，对系统模型的准确性要求相对较低。

其次，反馈控制可以对系统的干扰和变化进行补偿，提高系统的鲁棒性和稳定性。

此外，反馈控制可以根据系统的输出误差进行调整，可以实时地对系统进行修正，从而提高控制性能和精度。

然而，反馈控制也存在一些缺点。

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。

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就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。

其特点就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。

前馈调节就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,直观阐述前馈控制与反馈控制: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就是就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就是随负荷变化的,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,通常将前馈与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。

前馈控制选用原则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。

自动控制系统的基本原理与技术自动控制系统是一种能够自主调节、控制和监测的系统，广泛应用于各个领域，包括工业生产、交通运输、通信网络、航空航天等。

它通过感知、决策和执行三个步骤，实现对被控对象的精确控制。

在本文中，我们将介绍自动控制系统的基本原理与技术，并探讨其在现代社会中的应用。

一、自动控制系统的基本原理自动控制系统的基本原理可以总结为反馈控制和前馈控制两种方式。

1. 反馈控制反馈控制是根据被控对象的实际状态与期望状态之间的差异进行调整的一种控制方式。

它通过传感器获取被控对象的输出信号，并将其与预期输出进行对比。

差异信号经过控制器的处理后，通过执行器对被控对象的输入进行调整，使实际输出逐渐趋向于期望输出。

反馈控制可以实现对系统的稳定性和精确性的控制，常用于对动态系统的调节。

2. 前馈控制前馈控制是根据被控对象的输入信号与期望输入信号之间的差异进行调整的一种控制方式。

它通过控制器对期望输入信号进行处理，并将处理后的信号直接作用于被控对象的输入端，以抵消外部扰动对系统的影响。

前馈控制可以提前对系统进行补偿，有效地减小了反馈控制的误差，常用于对静态系统的调节。

二、自动控制系统的基本技术自动控制系统的实现涉及多种基本技术，包括传感器、控制器和执行器等。

1. 传感器传感器是自动控制系统中用于感知被控对象状态的装置。

它可以将物理量、化学量或其他特定量转化为电信号，并传输给控制器。

常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、光电传感器等。

传感器的准确性和响应速度直接影响着控制系统的性能。

2. 控制器控制器是自动控制系统中用于处理输入信号并生成控制信号的核心组件。

它根据传感器获取的信息和预设的控制策略，计算出对被控对象的调节量，并将调节信号发送给执行器。

常见的控制器有PID控制器、模糊控制器、模型预测控制器等。

控制器的设计和调节方法直接影响着控制系统的性能表现。

3. 执行器执行器是自动控制系统中用于执行控制信号的装置。

2023年全国硕士研究生入学考试自动化真题题目一：控制系统理论与设计一、选择题1. 对于一个稳定控制系统，以下说法正确的是：a) 系统的输入与输出之间存在比例关系b) 系统的输出在整个时间范围内都是周期性的c) 系统的输出在无限时间内趋近于一个固定的值d) 系统的输出不会受到干扰2. 下列关于串级控制系统的说法中，正确的是：a) 主控制器响应速度较快b) 前级控制器响应速度较快c) 只有一个控制回路d) 只适用于特定类型的过程3. 在反馈控制系统中，负反馈具有以下优点：a) 提高系统的稳定性b) 减小系统的带宽c) 提高系统的超调量d) 增加系统的延迟时间二、填空题1. 控制系统中的传递函数是用来描述系统的。

2. 闭环控制系统中，稳态误差可以通过增加来减小。

3. 控制系统的控制对象是指。

4. 控制系统中比例控制器的传递函数为。

5. 控制系统中积分控制器的传递函数为。

三、简答题1. 请解释反馈控制系统与前馈控制系统的区别，并举例说明。

反馈控制系统和前馈控制系统是两种常见的控制系统结构。

它们的区别在于反馈路径的存在与否。

在反馈控制系统中，系统的输出值通过传感器反馈给控制器，控制器根据反馈信号调整控制策略，进而影响系统的输入，以实现对系统输出的控制。

反馈控制系统通过监测系统的实际输出与期望输出之间的差异，来调整控制信号并纠正系统的偏差，从而提高系统的稳定性和鲁棒性。

例如，温度控制系统中的恒温器，通过检测环境温度与设定温度之间的差异，自动调节供暖或制冷设备的输出。

相比之下，前馈控制系统是一种预测性控制方法，它根据事先确定的模型和目标输出，直接计算出控制信号，而不需要通过反馈路径来调整控制器的输出。

前馈控制系统可以在系统受到干扰时提前作出响应，并在前馈路径的作用下减小输出误差。

例如，在飞机自动驾驶系统中，根据预先建立的飞行动力学模型和目标航迹，使用前馈控制来精确控制飞机的姿态和位置。

2. 简述PID控制器的工作原理，并解释每个参数对系统响应的影响。

前馈控制和反馈控制standalone； self-contained； independent； self-governed；autocephalous； indie； absolute； unattached； substantive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。

前馈及复合控制一、前馈及复合控制的基本概念在前面讨论的控制系统中，控制器都是按被控参数或其反馈值及给定值的偏差大小进行控制的，这种控制系统称为反馈控制系统。

对于反馈控制系统无论是什么干扰引起被控参数的变化，控制器均可根据偏差进行调节，这是其优点；但从干扰产生到被控量发生变化以及偏差产生到控制作用产生，再由控制量改变到被控量发生变化，都需要一定的时间，所以控制总是落后于干扰作用。

由于反馈控制的作用机理决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前。

因此，对一些滞后较大的对象来说，控制作用总是不及时，从而限制了控制质量的提高。

为了解决上述问题，可以采用按扰动直接进行控制，即当扰动一出现，控制器就直接按扰动的性质和大小，以一定规律进行控制，可使被控量还未变化之前，就克服干扰对系统的影响，从而使控制作用提前和控制精度进一步提高。

这种按干扰进行控制的方式称为前馈控制。

现以图7-16换热器出口温度控制为例作进一步的说明。

图7-16 换热器出口温度控制加热蒸汽通过换热器中排管的周围，把热量传给排管内的被加热物料，物料的出口温度T由蒸汽管路上的控制阀调节。

假设被加热物料的进料流量Q变化是影响被控制量出口温度T的主要扰动。

若采用反馈控制见图7-16 a）所示。

当物料流量Q发生扰动时，要等到出口温度T变化后，产生偏差，控制器才会动作，经控制阀改变加热蒸汽流量以后，又要经过热交换过程的惯性，才会使T变化。

这样可能使T产生较大的动态误差。

如果采用前馈控制方式，见图7-16 b）所示。

用一个流量检测变送器测取扰动量即被加热物料的流量Q，并将信号送到前馈控制器。

前馈控制器经过一定的运算去调节控制阀，以改变蒸汽流量来补偿进料流量Q变化对被控量T的影响。

只要蒸汽量改变的幅度和动态过程适当，就可以显著地减小或完全补偿由于扰动量的波动所引起的出口温度的波动。

假如进料扰动量为阶跃变化，补偿过程见图7－17所示。

图7-17 前馈控制系统的补偿过程图中曲线a为不加控制时的温度阶跃响应，曲线b是前馈控制作用引起的出口温度变化曲线。

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。

前馈控制选用原则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。

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。