前馈控制系统的基本原理

51 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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sG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：

)()()()()(1SGSGSGSQSQPCffPD 52

（2.4-1） 式中)(sGPD、)(sGPC分别表示对象干扰 道和控制通道的传递函数；)(sGff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)(sQ时，要求0)(s （2.4-2） 将（1-2）式代入（1-1）式，可得

)(sGff

=)()(SGSGPCPD

（2.4-3） 满足（1-3）式的前馈补偿装置使受控变量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和干扰作用d的响应曲线方向相反，幅值相同。所以它们的合成结果，可使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。 53

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 54

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(PCPDffGGG

（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：

ssipHGQC)(0 （2.4-5） 式中 pC——物料比热

sH——蒸汽汽化潜热 55

Q——物料量流量 sG——载热体（蒸汽）流量

i——换热器入口温度

0——换热器出口温度 由（2.4-5）式可解得：

)(0ispSHCQG （2.4-6） 用物料出口温度的设定值10代替上式中的0，可得

sG= )(10ISPHCQ （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56

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。 57

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se或纯微分环节)1(sTD

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 58

)()(0sQs=)()(1)()()()(1)(sGsGsGsGsGsGsGPCCPCffPCCPD

（2.4-8） 应用不变性原理条件 0)(sQ时，要求0)(0s，代入（2.4-8）式，可导出前馈控制器的传递函数为

)()()(sGsGsGPCPDff （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FS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59

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)()()()()(2222112222112222sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGssQPCCPCCPCCPDPCCPCCPCcPCCPCCff

（2.4-10） 因为串级系统最佳设计

101

副主



则)()(1)()(2222sGsGsGsGpccpcc≈1，

根据不变性原理当0)(,0)(ssQ

则