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 ，则可组成图前馈控制方案。
方案中选择加热蒸汽量s G 为操纵变量。
图 反馈控制 图 前馈控制
前馈控制的方块图，如图。 系统的传递函数可表示为：
)()()()
()(1S G S G S G S Q S Q PC ff PD += （） 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 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
（）
将（1-2）式代入（1-1）式，可得
)
(s G
ff =
)
(
)
(
S
G
S
G
PC
PD
-
（）
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
图反馈控制方块图图前馈控制方块图
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 -=
（）
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
（）
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（）式可解得： )(0i s p
S H C Q
G θθ-=
（）
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- （）
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 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（）
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（）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。
