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1、前馈控制系统的基本原理12020 年 4 月 19 日文档仅供参考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G s 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：Q 1( S)G PD (S)G ff ( S)G PC ( S)Q(S)（ 2.4-1）式中
2、G PD (s) 、 G PC ( s) 分别表示对象干扰道和控制通道的传递函数；G ff ( s) 为前馈控图 2.4-3 前馈控制方块图512020 年 4 月 19 日文档仅供参考制器的传递函数。系统对扰动Q 实现全补偿的条件是：Q (s) 0时，要求 (s) 0（2.4-2）将（ 1-2）式代入（ 1-1）式，可得G ff ( s) =G PD (S)（2.4-3）G PC (S)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。因此它们的合成结果，可使达到图
3、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。1前馈控制与反馈控制的比较522020 年 4 月 19 日文档仅供参考图 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 ”控制系统从图上能够看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反
4、馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，能够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，一般每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不论干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。4)前
5、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532020 年 4 月 19 日文档仅供参考服。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)前馈理论上能够无差，反馈必定有差如果系统中的干扰数量很少，前馈控制能够逐个测量干扰，加以克服，理论上能够做到被控变量无差。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：G ff (0)G PD (0)（ 2.4-4）G PC (0)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：QC p ( 0i ) G s H s（2.4-5）式中 C p 物料比热H s 蒸汽汽化潜热Q 物料量流量542020 年 4 月 19 日