前馈控制和反馈控制
前馈控制系统和反馈控制系统的区别
稳定性问题
01
前馈控制系统：开环控Biblioteka ，不存在 稳定性问题。02
反馈控制系统：控制精度与稳定性 相互矛盾，进而限制控制精度的进 一步提高。
控制规律不同
01
前馈控制系统：取决于 被控对象，复杂。根据 被控对象的特点选用不 同调节规律的专用调节 器。
设定值r + 偏差e 控制器
执行器 控制量u
控制阀
扰动d 被控量y
被控对象 操纵量q
被控量检测元件、变送器 图1 前馈控制系统方框图
控制的依据不同
前馈控制系统：干扰。按干扰大小和方向产生相应的控制作用。
反馈控制系统：被控量。按被控量与设定值的偏差大小和方向产生相应的控 制作用。
控制的效果不同
前馈控制系统：作用及时，不必等到被控量出现偏差就产生了控制作用， 理论上可实现对干扰的完全补偿，使被控量保持在设定值上
前馈控制系统和反馈控制系统的区 别
任凭
20134373
前馈控制系统
前馈控制系统是基于补偿的原理，是根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控 制的依据。由于前馈控制没有被控量的反馈信息，因此它是开环控制系统。
扰动量检测元件、变送器
扰动d
前馈控制器
调节阀
图1 前馈控制系统方框图
被控过程
反馈控制系统
• 反馈控制系统是根据系统被控量和给定值之间的偏差进行工作的，偏差是控制 的依据，控制系统要达到减小或消除偏差的目的。
02
反馈控制系统：符合P、 PI、PD、PID等典型规 律。PID控制器、DCS、 PLC等。
适应性不同
第五章2 前馈-反馈控制系统PPT课件
1.静态前馈控制
所谓静态前馈控制，是指前馈调节器的输出量仅仅是其输入量的函数．与时间因 子无关。前馈调节器的控制规律具有比例特性，
其大小可根据过程扰动通道的静态放大系数和过程控制通道的静态放大系数来决定。 静态前馈控制只考虑最终稳态时的校正，所以只能使被控参数最终的静态偏差接
Kf
T1s 1 es 的微分表示形式为：
T2s 1
T2
du f (t) dt
uf
(t)
K
f
[T1
dF (t dt
)
F (t
)]
用差分方程来代替微分方程时：
Ts：采用周期。
du f (t) dt
|t kTs
u
f
(k)
dF (t dt
f
)
|t kTs
F (k
1
df ) Ts
F (k
则有：
Wf (s) K f
KdT1s T1s 1
1
T2s 1 KdT2s
1
K
f
T1s 1 T2s 1
在DDZ-Ⅲ型仪表和组装仪表中，上述前馈模型都有相应的硬件模块。为前馈-反 馈控制的广泛应用提供了方便。
Kf
T1s 1 e s 型前馈控制器 T2s 1
采用该种前馈模型的较少。
东北大学
3.数字仪表实施
/ T2 )
1
(
1 a
1)et
aT1
，这里
a
T1
T2
东北大学
当a>1，T1>T2, 前馈补偿器具有滞后性，适用于控制通道滞后小于干扰通道的场合； 当a<1，T1<T2, 前馈补偿器具有超前性，适用于控制通道滞后大于干扰通道的场合。
自动控制的基本方式
自动控制的基本方式自动控制是指利用现代科技手段，通过将传感器、执行器和控制器相结合，实现对各种工业、农业和家庭设备的自动化控制。
自动控制的基本方式主要包括反馈控制和前馈控制。
一、反馈控制反馈控制是指通过对系统输出进行测量，并与期望输出进行比较，然后根据比较结果对系统输入进行调整，使系统输出接近期望输出的控制方式。
反馈控制主要包括传感器、比较器、控制器和执行器四个基本组成部分。
1. 传感器：传感器用于将被控对象的状态转换为电信号或其他形式的信号，以供控制系统进行处理。
常见的传感器有温度传感器、压力传感器、光电传感器等。
2. 比较器：比较器用于将传感器获得的信号与期望输出进行比较，得到误差信号。
常见的比较器有比较放大器、运算放大器等。
3. 控制器：控制器根据误差信号和系统的特性，计算出控制量，并将其送往执行器进行调节。
常见的控制器有PID控制器、模糊控制器等。
4. 执行器：执行器接收控制量信号，并将其转换为机械运动或其他形式的能量输出，对被控对象进行控制。
常见的执行器有电动阀门、电机、液压缸等。
反馈控制的优点是能够实时调节系统状态，适应系统参数的变化，具有较强的鲁棒性和稳定性。
然而，反馈控制也存在一定的缺点，如对系统动态响应速度较慢，容易产生振荡等问题。
二、前馈控制前馈控制是指根据已知的被控对象的数学模型，通过预测被控对象的输出，提前对输入进行调整，以实现期望输出的控制方式。
前馈控制主要包括模型预测控制和前馈补偿两种形式。
1. 模型预测控制：模型预测控制是利用被控对象的数学模型进行预测，然后根据预测结果计算控制量，对系统进行调节。
模型预测控制通常需要较为精确的数学模型和较强的计算能力。
2. 前馈补偿：前馈补偿是根据被控对象的数学模型，提前计算出控制量，并直接对系统进行输入调整，以消除扰动或改善系统响应特性。
前馈补偿通常需要对扰动进行较为准确的测量和预测。
前馈控制的优点是能够快速响应和抑制扰动，但也存在模型误差、对扰动的依赖性较强等问题。
生理学 人体内自动控制系统
人体内控制系统可分为非自动控制系统、反馈控制系统和前馈控制系统。
非自动控制系统在人体内并不多见，故而下面主要介绍反馈控制系统和前馈控制系统。
一、反馈控制系统：
1、定义及概述：反馈控制系统是由比较器、控制部分和受控部分组成的一个闭环系统；由于在该系统中反馈信号对控制部分的活动可发生不同的影响，所以可将其分为两种：负反馈和正反馈。
2、负反馈控制系统：（1）定义：来自受控部分的输出信息反馈调整控制部分的活动，最终使受控部分的活动向与其原先活动的相反方向改变。
（2）举例：①正常机体内，血糖浓度、PH、循环血量、渗透压的稳定②减张反射
3、正反馈控制系统：（1）定义：来自受控部分的输出信息反馈调整控制部分的活动，最终使受控部分的活动向与其原先活动的相同方向改变。
（2）举例：①排尿反射、排便反射②血液凝固过程③神经纤维膜上达到阈电位时Na+通道开放④分娩过程⑤胰蛋白酶原激活的过程
二、前馈控制系统：
1、定义：当控制部分发出信号，使受控部分进行某一活动时，受控部分不发出反馈信号，而是由某一监测装置在受到刺激后发出前馈信号，作用于控制部分，使其及早做出适应性反应，及时调控受控部分的活动。
2、意义：避免负反馈调节时矫枉过正产生的波动和反应的滞后现象，
使调节控制更快、更准确。
前馈控制和反馈控制
前馈控制、反馈控制及前馈-反馈控制的对比1、前馈控制属于开环控制,反馈控制属于负反馈的闭环控制一般定值控制系统就是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节,属于闭环负反馈调节。
其特点就是在被控变量出现偏差后才进行调节;如果干扰已经发生而没有产生偏差,调节器不会进行工作。
因此反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用。
前馈调节就是按照干扰作用来进行调节的。
前馈控制将干扰测量出来并直接引入调节装置,对于干扰的克服比反馈控制及时。
现在以换热器控制方案举例,直观阐述前馈控制与反馈控制:前馈控制方案反馈控制方案2、前馈控制系统中测量干扰量,反馈控制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、前馈控制需要专用调节器,反馈控制一般采用通用PID调节器反馈调节符合PID调节规律,常用通用PID调节器、DCS等或PLC控制系统实现。
前馈调节使用的调节器就是就是根据被控对象的特点来确定调节规律的前馈调节器。
4、前馈控制只能克服所测量的干扰,反馈控制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、前馈控制理论上可以无差,反馈控制必定有差反馈调节使系统达到动态稳定,让被调参数稳定在给定值附近动态变化,却不能使被调参数稳定在给定值上不动。
前馈调节在理论上可以实现无差调节。
6、前馈控制的局限性A、在生产应用中各种环节的特性就是随负荷变化的,对象动态特性形式多样性难以精确测量,容易造成过补偿或欠补偿。
为了补偿前馈调节的不准确,通常将前馈与反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。
B、工业对象存在多个扰动,若均设置前馈控制器,那设备投资高,工作量大。
C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。
D、前馈控制受到前馈控制模型精度限制。
E、前馈控制算法,往往做近似处理。
前馈控制选用原则1、系统中存在频率高、幅度大、可测量而不可控的扰动时,可选用前馈控制。
反馈控制与前馈控制
反馈控制与前馈控制在控制工程领域，反馈控制和前馈控制是两种常见的控制策略。
它们在不同的系统中发挥着关键作用，具有各自的优点和适用范围。
本文将探讨反馈控制和前馈控制的基本原理、特点和应用。
一、反馈控制的基本原理和特点反馈控制是一种通过监测系统输出并与期望输出进行比较，然后根据比较结果对系统进行调整的控制方法。
其基本思想是不断地纠正系统输出与期望输出之间的误差，以保持系统稳定和精确。
反馈控制的基本原理可以用闭环系统来描述，其中包括传感器、比较器、控制器和执行器等组件。
具体而言，在闭环系统中，传感器用于监测系统的输出，并将输出信号传递给比较器。
比较器将系统的输出信号与期望输出进行比较，并生成误差信号。
控制器将误差信号与系统的参考模型进行比较，并根据比较结果生成控制信号。
最后，执行器接收控制信号，并对系统进行调整，以使输出尽可能接近期望输出。
反馈控制具有以下特点：1. 稳定性：通过反馈迭代调整，反馈控制可以使系统保持稳定，抵抗外界干扰。
2. 自适应性：反馈控制可以根据系统输出的实时变化情况来调整控制信号，以适应不同的工作条件。
3. 鲁棒性：反馈控制对于系统内部参数变化或外界扰动具有一定的鲁棒性，能够保持较好的控制效果。
4. 相对简单：相比于前馈控制，反馈控制的设计和实现相对简单，适用于许多实际系统。
二、前馈控制的基本原理和特点前馈控制是一种基于系统输入与期望输出之间的关系，预先对系统进行控制信号的加法和乘法计算，从而直接实现期望输出。
其基本思想是通过提前预测系统的行为来控制系统，而无需依赖系统的实际输出。
前馈控制的基本原理可以用开环系统来描述，其中包括发生器、执行器和系统模型等组件。
具体而言，在开环系统中，发生器生成预先计算好的控制信号，并将其传递给执行器。
执行器根据控制信号执行相应的操作，并将结果输入到系统模型中。
系统模型对输入进行运算，并生成系统的输出。
通过预先计算好的控制信号，系统的输出可以直接达到期望输出。
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点前馈控制与反馈控制是控制系统中常用的两种控制方法。
它们各自具有一些优点和缺点，本文将对这两种控制方法进行详细说明。
一、前馈控制的优点：1. 响应速度快：前馈控制是根据预测模型进行控制，可以提前预测系统的变化趋势，因此能够快速响应外部干扰或参考信号的变化。
2. 稳定性好：前馈控制可以有效抑制系统的不稳定因素，提高系统的稳定性。
通过提前补偿干扰或参考信号，可以减小系统的误差，使系统更加稳定。
3. 控制精度高：前馈控制可以根据预测模型精确地计算出控制信号，避免了传统反馈控制中由于传递函数等原因引起的误差积累，从而提高了控制精度。
4. 抗干扰能力强：前馈控制可以提前补偿系统的干扰，减小干扰对系统的影响，从而提高系统的抗干扰能力。
二、前馈控制的缺点：1. 对系统模型的要求高：前馈控制需要准确的系统模型作为基础，如果系统模型存在误差或不准确，将会导致控制效果下降甚至失效。
2. 对干扰的预测能力有限：前馈控制是根据预测模型进行控制，对于无法准确预测的干扰或非线性因素，前馈控制的效果会受到限制。
3. 对系统参数的变化敏感：前馈控制的控制策略是基于系统模型的，一旦系统参数发生变化，需要重新设计前馈补偿器，对于参数变化频繁或不确定的系统，前馈控制的应用会受到限制。
三、反馈控制的优点：1. 对系统模型的要求低：反馈控制是根据系统的实际输出进行控制，不需要准确的系统模型作为基础，因此适用范围更广。
2. 适应性强：反馈控制可以根据系统的实际输出进行调整，能够适应系统参数变化和干扰的影响，具有较好的适应性和鲁棒性。
3. 控制效果稳定：反馈控制能够通过不断调整控制器的参数，使系统的输出逐渐趋近于参考信号，从而实现稳定的控制效果。
4. 易于实现和调试：反馈控制不需要准确的系统模型和预测算法，通常可以通过实验和试错的方式进行参数调试，具有较好的实用性和可操作性。
四、反馈控制的缺点：1. 响应速度较慢：反馈控制依赖于系统的实际输出，需要等待系统的响应，因此相对于前馈控制而言，响应速度较慢。
前馈控制与反馈控制
前馈控制与反馈控制前馈控制前馈控制是在前苏联学者所倡导的不变性原理的基础上发展⽽成的。
20世纪50年代以后，在⼯程上，前馈控制系统逐渐得到了⼴泛的应⽤。
前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来⼯作的控制系统，其特点是当扰动产⽣后，被控变量还未变化以前，根据扰动作⽤的⼤⼩进⾏控制，以补偿扰动作⽤对被控变量的影响。
前馈控制系统运⽤得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作⽤或给定值变化⽽产⽣偏差，它较之反馈控制能更加及时地进⾏控制，并且不受系统滞后的影响。
单纯的前馈控制是开环的，是按扰动进⾏补偿的，因此根据⼀种扰动设置的前馈控制就只能克服这⼀扰动对被控变量的影响，⽽对于其他扰动对被控变量的影响，由于这个前馈控制器⽆法感受到，也就⽆能为⼒了。
所以在实际⼯业过程中单独使⽤前馈控制很难达到⼯艺要求，因此为了克服其他扰动对被控变量的影响，就必须将前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。
前馈反馈控制系统有两种结构形式，⼀种是前馈控制作⽤与反馈控制作⽤相乘；另⼀种是前馈控制作⽤与反馈控制作⽤相加，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构形式。
采⽤前馈控制系统的条件是：1、扰动可测但是不可控。
2、变化频繁且变化幅度⼤的扰动。
3、扰动对被控变量的影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程控制精度要求⼜⼗分严格的情况。
反馈控制反馈控制是指在某⼀⾏动和任务完成之后，将实际结果进⾏⽐较，从⽽对下⼀步⾏动的进⾏产⽣影响，起到控制的作⽤。
其特点是：对计划决策在实施过程中的每⼀步骤所引起的客观效果，能够及时做出反应，并据此调整、修改下⼀步的实施⽅案，使计划决策的实施与原计划本⾝在动态中达到协调。
当然，反馈控制主要是对后果的反馈，⽽已铸成的事实是难以改变，且⽤新计划代替旧计划、⽤新决策代替原有决策有⼀个过程需要⼀定的时间，由于系统不能适应情况的变化，将会给⼯作带来不必要的损失。
这就是反馈控制不及预先控制之处。
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前馈控制、反馈控制及前馈-反馈控制的对比
1、前馈控制属于开环控制，反馈控制属于负反馈的闭环控制
一般定值控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节，属于闭环负反馈调节。
其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节；如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。
因此反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用。
前馈调节是按照干扰作用来进行调节的。
前馈控制将干扰测量出来并直接引入调节装置，对于干扰的克服比反馈控制及时。
现在以换热器控制方案举例，直观阐述前馈控制和反馈控制：
前馈控制方案
反馈控制方案
2、前馈控制系统中测量干扰量，反馈控制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、前馈控制需要专用调节器，反馈控制一般采用通用PID调节器
反馈调节符合PID调节规律,常用通用PID调节器、DCS等或PLC控制系统实现。
前馈调节使用的调节器是是根据被控对象的特点来确定调节规律的前馈调节器。
4、前馈控制只能克服所测量的干扰，反馈控制则可克服所有干扰
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、前馈控制理论上可以无差，反馈控制必定有差
反馈调节使系统达到动态稳定，让被调参数稳定在给定值附近动态变化，却不能使被调参数稳定在给定值上不动。
前馈调节在理论上可以实现无差调节。
6、前馈控制的局限性
A、在生产应用中各种环节的特性是随负荷变化的，对象动态特性形式多样性难以精确测量，容易造成过补偿或欠补偿。
为了补偿前馈调节的不准确，通常将前馈和反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。
B、工业对象存在多个扰动，若均设置前馈控制器，那设备投资高，工作量大。
C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。
D、前馈控制受到前馈控制模型精度限制。
E、前馈控制算法，往往做近似处理。
前馈控制选用原则
1、系统中存在频率高、幅度大、可测量而不可控的扰动时，可选用前馈控制。
2、当控制系统控制通道滞后时间长、反馈控制又不能获得良好效果时，可选用前馈控制。
3、选用前馈控制要符合经济性原则。
4、在决定前馈控制方案后，如静态前馈能满足工艺要求，则不选用动态前馈。
前馈-反馈控制系统优点
1、从前馈控制角度看，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对没有测量的干扰信号的扰动进行校正。
2、从反馈控制角度看，前馈控制作用对主要干扰及时进行粗调，大大减少反馈控制的负担
前馈-反馈控制应用举例
现在以两种换热器控制方案举例，直观阐述前馈-反馈控制：
1、换热器前馈反馈控制控制方案1
2、换热器前馈反馈控制控制方案2
说明：本控制方案可克服对象的非线性，或具有变增益控制器功能。
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