天津大学过程控制系统 5)前馈控制系统(王江教授)
简述前馈控制内容
简述前馈控制内容前馈控制（Feedback Control）是一种用于调节平衡，使出现变化的物理数量达到预定值的技术。
这种技术的应用非常广泛，可用于飞行控制，商业控制，汽车控制，工业控制和机器人控制等。
一、原理前馈控制的基本原理是检测系统的当前状态，并根据此信息校正系统的输出以达到目标值。
它关注的是如何有效地利用系统输出（输出量）来改变系统输入（输入量）以实现预定过程，否则就是失控了。
再详细一点，前馈控制是将设计出的控制算法应用到整个控制系统中，以实现系统状态控制，保持控制回路稳定并具有预期的特性。
二、基本结构前馈控制的基本结构可以表示为一个简化的负反馈系统，通常包括输入端，处理部分，以及输出端。
（1）输入端：将外界信号捕获并转化为建模系统可以理解的有效信号传输到系统中去。
（2）处理部分：该部分主要由控制器，反馈，控制策略和信号处理等组成，即对输入的信号进行处理，以实现输出的变化并实现预定的控制目的。
（3）输出端：根据控制信号，激励器产生拖动力，以实现控制目标。
三、类型根据不同的应用领域，前馈控制可以分为离散前馈控制、连续前馈控制等多个类型。
（1）离散前馈控制：离散前馈控制是控制系统的一种特殊形式，其包含离散信号和有限逻辑控制。
其中，离散信号可以通过转变器或采样器来传输，有限逻辑控制模块以指令的形式来实现动态控制。
（2）连续前馈控制：连续前馈控制是一种将应用于实时控制的技术，其目标是立即、可靠地实现实时控制，并使能控制系统在变化的环境条件下进行动态控制。
通常，连续前馈控制使用一种“反馈+前馈”架构，它可以提供完整的动态控制，并保证预期的稳定性和性能。
四、优缺点前馈控制是普遍应用的一种控制技术，它具有其良好的控制性能，调节的响应快，以及完整的解决方案等优点，能够实现实时的控制，为快速变化的环境提供更高的准确性和能力。
但由于控制系统十分复杂，它也存在一定的问题，比如控制器参数容易失效，系统输出响应慢等，这些都会降低控制稳定性或影响控制性能。
过程控制系统复习题库
过程控制系统复习题库复习题库⼀、填空题1.执⾏器是由( )和( )两部分组成。
2.控制阀所能控制的最⼤流量与最⼩流量之⽐，称为控制阀的( )，以R表⽰。
3.控制阀的理想流量特性是根据( )实现的。
4.在实际使⽤中，控制阀前后压差总是要变的，这时流过控制阀的相对流量与阀门的相对⾏程之间的关系称为控制阀的( )。
5.在控制阀两端压差较⼤的情况下应选⽤( )阀。
6.控制阀前后压差较⼩，要求泄露量⼩，⼀般可选( )阀。
7.控制参数流过阀门的相对流量（Q/Qmax）与阀门的相对⾏程（l/L）之间的关系称为控制阀的（）。
8.纯⽐例调节作⽤，⽐例度越⼤，则余差越( )。
9.积分时间T越⼩，则积分特性曲线的斜率( )，积分作⽤( )。
i10.积分规律的作⽤是( )，但是积分时间越⼩积分作⽤( )。
11.微分控制规律主要⽤来克服对象的( )滞后，TD越⼤微分作⽤(12.研究对象特性的⽅法有( )，( )两种。
13.描述对象特性的参数有（）、（）、（）14.⾃动调节系统按给定值的变化分为( )系统、( )系统、( )系统、三种类型。
串级控制系统的主回路为( )系统，⽽副回路为( )系统。
15.对于串级控制系统，副回路是为了稳定主参数⽽设制的，主控制器的输出作为副控制器的给定。
因此，副回路是( )系统，主回路是( )。
⼆、判断题1.微分作⽤主要⽤来克服对象的纯滞后。
( )2.微分作⽤主要⽤来克服所有的滞后。
( )3.微分时间越长，微分作⽤越强。
（）4.对纯滞后⼤的控制对象，为克服其影响，可引⼊微分控制作⽤来克服。
( )5.⽐例控制过程的余差与控制器的⽐例度成正⽐。
( )6.某⼀流量控制对象为提⾼控制精度，控制器控制规律应选⽤PID规律。
( )7.对已设计确定的控制系统，只要对控制器参数进⾏⼀次最佳整定后，则可在任何使8.范围内改善调节质量，不需再次调整。
( )9.对同⼀被控对象，控制通道和⼲扰通道的特性是相同的。
前馈控制的控制原理及应用
前馈控制的控制原理及应用1. 前言前馈控制是一种常用于工业控制系统中的控制算法，它通过提前补偿预测误差信号来改善系统性能。
该文档将介绍前馈控制的基本原理，并探讨其在实际应用中的一些典型场景。
2. 基本原理前馈控制的基本原理是在控制系统中添加一个前馈通道，在其输入端加入一个预计误差信号。
该信号基于系统模型和期望输出值，预测了系统的未知干扰或负载的影响。
前馈控制可以分为两种类型：基于模型的前馈控制和自适应前馈控制。
基于模型的前馈控制依赖于系统的数学模型，通过对模型进行数学运算来生成前馈信号。
而自适应前馈控制则通过实时的系统反馈信息来不断修正前馈信号，以适应系统非线性和不确定性。
3. 应用领域前馈控制在工业控制系统中具有广泛的应用。
下面将介绍几个常见的应用场景。
3.1 电力系统在电力系统中，前馈控制可以用于电力传输线路的电压和频率控制。
通过提前预测负载变化和干扰信号，前馈控制可以及时调整电压和频率的输出，以保持系统的稳定性和可靠性。
3.2 自动驾驶在自动驾驶系统中，前馈控制可以用于车辆的方向和速度控制。
通过预测车辆目标点的位置和速度，前馈控制可以提前调整车辆的转向和加速操作，以实现准确的车辆控制。
3.3 机器人控制在机器人控制领域，前馈控制可以用于机器人的轨迹跟踪和姿态控制。
通过预测机器人的轨迹和姿态变化，前馈控制可以控制机器人的关节和执行器，以实现精确的运动和操作。
3.4 冷却系统在冷却系统中，前馈控制可以用于温度和湿度的控制。
通过预测外界环境的变化和系统的热载荷，前馈控制可以及时调整冷却系统的流量和温度，以保持系统的稳定性和效率。
4. 优点和局限性前馈控制具有以下优点： - 提高系统的响应速度和稳定性 - 减小系统误差 - 适用于高精度和高要求的控制系统然而，前馈控制也存在一些局限性： - 对于系统模型的要求较高 - 对系统干扰和负载变化的预测可能存在误差 - 无法处理系统的非线性和不确定性5. 总结本文介绍了前馈控制的控制原理及其在不同领域的应用。
天津大学过程控制系统 4)串级控制系统(王江教授)
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9
过程控制系统
2011-05-08
第四章串级控制系统
过程特性的讨论
（ 1 ）扰动压力 P 与被控 温度T（无控制）的因果 关系。 （ 2 ）当压力 P 变化时， 哪种发生改变的影响可 测。
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过程控制系统
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第四章串级控制系统
串级控制系统中的常用名词
主变量：是工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量； 副变量：是在串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要引入的辅助 变量； 主对象：是表征主变量特性的生产设备；（在管式炉管中，主要指原料 油受热管道） 副对象：是表征副变量特性的生产设备；（在管式炉管中，主要指燃料 油燃烧装置） 主控制器：按主变量对给定值的偏差而动作，其输出作为副控制器的给 定值； 副控制器：其给定值由主控制器的输出所决定，并按副变量对给定值的 偏差而动作； 主回路：是由主测量、变送，主、副控制器，执行器和主、副对象构成 的外环回路； 副回路：是由副测量、变送，副控制器，执行器和副对象构成的内环回 路。
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第四章串级控制系统
示例（2）
合成氧厂的硝酸生产过程，国内在60年代初最早使用的串级控 制。 Pt 4NH3 5O 2 4NO 6H2O Q 氨氧化生成一氧化氮过程： 840 o C
被控变量：氧化炉温度 操作变量：加入的氨量 被控对象：滞后大，时间常数大 干扰分析：氨压力和流量影响大 方案1：氨流量定值控制；炉温是开环 方案2：炉温定值控制；氨流量压力影响大 方案3：炉温主环，氨流量副环的串级控制
前馈反馈控制系统
前馈—反馈复合控制系统摘要流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。
锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。
本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。
随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真目录一．前馈控制1.前馈控制的定义2.换热器前馈控制二．前馈控制的特点及局限性1.前馈控制的特点2.前馈控制的局限性三．反馈控制1.定义2.反馈控制的特点四．复合控制系统特性1.前馈-反馈复合控制原理2.复合控制系统特点五．小结六．参考文献一、前馈控制1.前馈控制的定义前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
2.换热器前馈控制在热工控制系统中，由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。
考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。
第5章 前馈控制系统
• 线性叠加方法 • MIMO系统
教学进程
作业
课本 P149 课本P149
5.10 5.11
教学进程
5.5.1 T1、T2的整定
（2）若T1> T2 ，取T1在2 T2附近，若T1< T2 ，取T1在 0.5 T2附近，作为初值
（3）单纯前馈作用，施加阶跃干扰，观察曲线
图5-20 前馈控制器动态参数的整定曲线
教学进程
5.6 多变量前馈控制系统
多输入——单输出、多输入——多输出
• 机理建立前馈控制模型
G 2 ( s) p
G ff ( s )
Gc 2 ( s )G p 2 ( s ) 1 Gc 2 ( s )G p 2 ( s )
GPD ( s ) G 2 ( s )GPC ( s ) p
G ff ( s ) G PD ( s ) G PC ( s )
教学进程
第 章
θ1
t
F
前馈控制系统的补偿过程
教学进程
5.1 前馈控制系统的特点
前馈控制系统的特点
（1）按干扰作用的大小进行控制——提前，控制及时
控制的依据 反馈控制 前馈控制
检测的信号
控制作用的 发生时间 偏差出现后
被控变量的偏差
被控变量
干扰量的大小
干扰量
偏差出现前
教学进程
5.1 前馈控制系统的特点
（2） 前馈控制属于开环控制
t T1
(对象滞后大 α ＞1 于干扰滞后)
]
α ＜l
α =T1/T2
教学进程
第 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
过程控制系统与仪表_课后答案
第1章 思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：参照图1-1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？解答：通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）程序控制系统2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统1-5 什么是定值控制系统?解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
被控对象的动态特性：。
系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。
二者之间的关系：1-10 某被控过程工艺设定温度为900℃，要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃。
现设计的温度定值控制系统，在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-4所示。
试求该系统过渡过程的单项性能指标：最大动态偏差、衰减比、振荡周期，该系统能否满足工艺要求？解答：最大动态偏差A：衰减比n：振荡周期T：A<80, 且n>1 (衰减振荡)，所以系统满足工艺要求。
2-5 有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为1) 1.0级，0～250mA2）2.5级，0～75mA现要测量50mA的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？解答：分析它们的最大误差：1）∆max＝250×1％＝2.5mA；2）∆max＝75×2.5％＝1.875mA；选择2.5级，0～75mA的表。
前馈控制系统
FT
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6
前馈控制系统框图
GPD(s) GPC(s)
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7
前馈控制的补偿原理
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8
前馈控制的特点
♦ “基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，
又称为“扰动补偿”；
♦ 扰动发生后，前馈控制“及时”动作； ♦ 属于开环控制，只要系统中各环节是稳
定的，则控制系统必然稳定；
♦ 只适合于可测不可控的扰动； ♦ 控制规律取决于被控对象的特性； ♦ 一种前馈控制只能克服一种扰动。
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b图的框图
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前馈控制的选用与稳定性
♦ 实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及
不可控性
1 可测：扰动量可以通过测量变送器，在 线地 将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
2 不可控：扰动量与控制量之间的相互独立性
，即控制通道的传递函数与扰动通道的传递
函数无关联，从而控制量无法改变扰动量的
A/B
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加热炉温度预估补偿控制
♦轧钢车间加热炉多点平均温度反馈
控制系统 系统主要配置：六台设有断偶报警 装置的温度变送器、三台高值选择 器、一台加法器、一台PID调节器 和一台电/气转换器
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加热炉温度反馈控制系统流程图
TT1 TT2 TT3 TT4 TT5 TT6
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大滞后过程的预估补偿控制
♦基本思想：按照过程特性，预估
出一种模型加入到反馈控制系统 中，以补偿过程的动态特性。
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Smith预估补偿控制
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第五章 前馈控制系统
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1
过程控制系统
2011-05-09
第五章前馈控制系统
通过这章的学习，我们 可以得到以下收获：
什么情况下采用前馈增强控制系统性能？ 利用五个规则设计前馈控制系统； 前馈控制系统设计和应用。
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过程控制系统
前馈控制系统---结构形式
3）前馈-反馈复合控制系统
Y ( s)
第五章前馈控制系统
Gc (s)G0 (s) G (s) GB ( s)G0 (s) R( s ) F F ( s) 1 Gc (s)G0 (s) 1 Gc (s)G0 ( s)
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第五章前馈控制系统
如 反 前 制
何 将 馈 与 馈 控 结合？
前馈控制
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为了获得期望的控制性能，用方框图方法描述控制器 Gff(s)的模型形式。
如 何 测 量 CVA ？
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第五章前馈控制系统
CV s CVA s CVB s 0
KF GB ( s ) KB K0
过程控制通道的 静态放大系数
只能保证被控变量的静态偏差接近或等于零。 简单，不用专用控制器，用DDZ-Ⅲ型仪表中比例控制器或比值器就满足要求。 当干扰通道与控制通道的时间常数相差不大时，采用静态前馈控制。
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前馈控制系统---特点
1）前馈控制属于开环控制。
第五章前馈控制系统
----只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 ----即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。 2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 ----通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。 ----当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。 3）前馈控制器的控制规律取决于过程特性，是一个专用控制器。 反馈控制系统中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。 4）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响。 反馈控制则对包含在其回路中的多种干扰都具有抑制作用。
串级控制系统设计规则（针对 T1）
当存在以下情况时可采用串级控制：
OK! OK!
（1）单回路控制系统性能不能满足要求； （2）有一个被测变量是有效的； 副回路变量必须满足： （3）能够代表重要扰动的发生； （4）与执行机构（阀门）间有因果关系； （5）要比主回路有更快的响应；
OK! No!
串级控制不可用，需要其它的改进方案！
前馈控制往往不能单独使用。
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第五章前馈控制系统
前馈控制系统---结构形式
1）静态前馈控制系统 前馈控制器采用比例控制 前馈控制器 比例增益 过程干扰通道的 静态放大系数
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第五章前馈控制系统
前馈控制系统
当扰动发生后，经过过过程的扰动通道引起被 控量的变化时，前馈控制器根据扰动的性质和大小 对过程通道施加抑制，使被控量发生于前者相反的 变化，以抵消扰动对被控量的影响。
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前馈控制系统---原理
换热器温度反馈控制
第五章前馈控制系统
换热器温度前馈控制
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过程控制系统
前馈控制系统---原理
干扰通过检测变送单元和 前馈控制产生补偿控制作 用，再经过过程的控制通 道去影响输出量 干扰通过干扰通道 产生干扰作用影响 被控量
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第五章前馈控制系统
T1d s 1 ff s G ff s K ff e T1g s 1
MV
ff N
Tld t 1 Dm N MVff N 1 K ff T t 1 Tlg t 1 lg Tlg t Tld t Dm N 1 K ff T t 1 lg
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第五章前馈控制系统
5.1 示例
热交换搅拌罐 如何控制？
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不 是 PID ！ 为什么？
Gd s G ff sGp s Dm s 0
Gd s MVs G ff s Dm s Gp s
？？
这只是一 般形式！
Gd(s)和Gp(s)的特殊条件 是：一阶纯滞后
请 验 证。
T1d s 1 ff s MVs G ff s K ff e Dm s T1g s 1
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第五章前馈控制系统
用前馈+反馈控制得到或失 去的是什么？
对如下变化系统如何响应？
扰动为介质的入口压力； 扰动为介质入口处的温度； 扰动为注入的流量； 温度设定TC发生改变；
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第五章前馈控制系统
扰动=进料的 温度 控制性能不能 接受。
应用串级控制？
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第五章前馈控制系统
前馈控制系统---结构形式
2）动态前馈控制系统
GF (s) GB (s) G0 (s)
消除控制过程的动态偏差。 当干扰通道与控制通道的动态特性，采用专门控制器，结构复杂。 干扰变化频繁且动态控制精度要求高的过程，采用动态前馈控制。
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第五章前馈控制系统
我们希望通过 调整阀门，消 除扰动的影响。
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第五章前馈控制系统
MV
ff N
aMVff N 1 bDm N cDm N 1
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第五章前馈控制系统
前馈控制器的超前——滞后环节的典型响应。 补偿与克服扰动 同步。
第五章前馈控制系统
Y (s) GF ( s ) GB ( s )G0 ( s ) 0 F ( s)
满足不变性要求的前馈控制器
GB ( s )
GF ( s ) G0 ( s )
控制作用和干扰作用对被控量的影响是相反的。当两种作用对被控 量的影响大小相等时，被控量就不会随着干扰而变化，抵消了干扰 对被控量的影响。
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第五章前馈控制系统
5.2 前馈控制基本原理、性能、结构分析
换热器出口温度的反馈控制系统
原料进料量变化(扰动)→温度变化→与设定值间有偏 差 → 控制作用变化 → 控制阀开度变化 → 加热量变化 →出口温度回复。 反馈控制：按偏差调节；闭环控制；可克服多种干 扰影响；反馈控制规律通常采用PID；但调节不及时。
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第五章前馈控制系统
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