《前馈控制系统》

Kf Kp
F1 Km FC F2
Kp－控制通道放大系数
Kf－干扰通道放大系数 Km－前馈放大器放大系数
静态前馈控制

控制目标：保证过程输出在稳态下补偿外部扰动的影 响，即实现“稳态不变性”。 静态前馈控制方式：


线性静态前馈：
GFF ( s) GYD ( s)
GYC ( s) s 0
G（s）
（1）当G（ 0时，PV（s） B s）
G（ L s） F（s） 1 G（ O s）G（ V s）G（ C s）
G（ L s） 时，PV（s） 0 G（ s ） G （ s ） O V
G（ L s） 时， G（ s ） G （ s ） O V
G（ （ （ 0即G（ （2） 当G（ L s） O s）G V s）G B s） B s）
L G（ （ （ 即G（ 时，PV（s） F（s） （2） 当G（ L s） O s）G V s）G B s） B s） G（ s ） G （ s ） O V 复合调节 G（s） G（ O s）G（ V s）G（ B s） PV（s） L F（s） 1 G（ s ） G （ s ） G （ s ） O V C
这里，gYD(s)、gYC(s)分别表示通道特性的动态部分，其稳 态增益均为1。
非线性系统的动态前馈补偿
对于线性系统，动态前馈控制器可表示成静态与动 态两部分：
GFF (s) K FF g FF (s)
K YC ,
其中
K FF
K YD
g FF ( s )
gYD ( s )
gYC ( s )
d(t)
本例中，d (t)、u (t)、y (t) 分别表示工艺介质流 ＋ 量（外部干扰）、蒸汽 u(t) ＋ y(t) 流量（控制变量）与工 GFF (s) GYC (s) 艺介质的出口温度（被 控变量）；GFF(s)为前 控制目标： 馈控制器的动态特性； GYD(s)、GYC(s)分别为干 Y ( s) 扰通道与控制通道的的 GYD ( s) GFF ( s)GYC ( s) 0 D( s ) 动态特性。

TC 为温度调节器；K v为温度调节阀门。
5.1 前馈控制的基本概念
b）系统框图 图5-1 换热器温度反馈控制系统
在图5-1所示的温度反馈控制系统中，当扰动（如被加热的物料流量 q、入口
温化的度，大使小1其 和或偏方蒸离向汽给产压定生力值控p制D作等20 用的，，变随通化之过）温调发度节生调阀后节的，器动将按作引照改起被变热控加流量热体偏用出差蒸口值汽温e的度流2量20发q生D2变， 从而补偿扰动对被控量 2 的影响。
2. 前馈控制只适用于克服可测不可控的扰动，而对系统中的其它扰动无抑制作 用，前馈控制具有指定性补偿的局限性。为了克服这种局限性，通常将前馈、 反馈两者结合起来，构成复合控制系统。可测不可控的主要扰动由前馈控制抑 制，其它的由闭环控制解决。
3. 前馈控制具有静态和动态两种。静态前馈控制只能对扰动的稳态响应有良好 的补偿作用，但静态前馈控制器只是一个比例调节器，实施起来十分方便。动 态前馈控制几乎每时每刻都在补偿扰动对被控量的影响，故能极大提高控制过 程的动态品质，是改善控制系统品质的有效手段，但控制器取决于被控对象的 特性，往往比较复杂，难以实施。
（1）完全补偿难以实现。
前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使系统得到良好的动态品质、
但完全补偿几乎是难以作到的，因为要准确地掌握过程扰动通道特性 Wf (s)及
控制通道特性 W0 (s) 是不容易的。故而前馈模型 Wm (s) 难以准确获得；且被控
对象常含有非线性特性，在不同的工况下其动态特性参数将产生明显的变化，
（5-3）
5.1 前馈控制的基本概念
由此，可将前馈控制器的特点归纳如下：
1）前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故前馈控制又称为 “扰动补偿”。

第5章
前馈控制系统
5.1 前馈控制系统的特点 5.2 前馈控制系统的几种主要结构形式 5.3 前馈控制规律的实施 5.4 前馈控制系统的应用 5.5 前馈控制系统的参数整定 5.6 多变量前馈控制
实验：前馈控制系统实验
5.4 前馈控制系统的应用
什么情况下采用前馈控制：
（1）对象滞后较大，反馈难以满足要求，可把主要干 扰进行前馈控制
G(s) K es Ts 1
T1s 1 T2s 1
1 T2s 1
e f s
1
1 2
f
s
1
1 2
f
s
-K
输入
+Σ
+K
1
+
1 2
f
s
1
+Σ
-
输出
5.3 前馈控制系统的实施
输入
K=T1/T2-1
Kf
K
1/(T2s+1)
+
输出 －Σ
+
图5-12 （T1s+1）/（T2s+1）实施框图
t
mf
mf (t) K f [1 ( 1)e ]T1 （输出）
实验：前馈控制系统实验
5.3 前馈控制系统的实施
前馈控制规律取决于对象干扰通道和控制通道的 传递函数
工业对象特性复杂，导致前馈控制规律种类繁多， 不利于实施
工业应用希望控制规律能具有一定的通用性， 便于控制实施（特别是仪表）
5.3 前馈控制系统的实施
一般的工业对象可以用一阶容量滞后加纯滞后环节近似,如：
同样对于上述换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定， 无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥

+ Y=T2
例：加热炉出口温度前馈－串级控制系统
原油
燃料
8.6.3 前馈控制系统的应用场合
1）干扰幅值大而频繁、对被控变量影响剧烈，仅采用反馈 控制达不到要求的对象。 2）主要干扰是可测而不可控的变量。 3）当对象的控制通道的惯性和滞后大，反馈控制不及时， 控制质量差时，可引入前馈控制。
4）当工艺上要求实现变量间的某种特殊的关系，而需要通 过建立数学模型来实现控制时，可以引入前馈控制。
过程控制
8. 6 前馈控制系统
6.2前馈控制
8.6.1 概述 8.6.2 前馈控制系统的结构 8.6.3 前馈控制系统的应用场合
8.6.1 概述
反馈控制特点（例：换热器温度控制系统）
蒸汽
Q1：冷物料流量 pD ：蒸汽压力
TC
pD , Q2 Q1，T1 T2 给定值 偏差
T1：冷物料温度 T2：热物料温度
换热器温度前馈-反馈控制系统
前馈控制器的传递函数：
W
ff
(S )
W PD ( S ) W PC ( S )
前馈反馈控制系统实现完 全补偿与开环前馈比较前 馈控制器传函相同。
Q1 前馈-反馈控制原理方块图
Wff(S)
+
WPD(S) WPC(S)
+ T 2
T1i
-
WC(S)
前馈-反馈控制方框图
前馈-反馈控制系统优点： 1、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； 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。