前馈反馈控制技术讲解
前馈反馈控制系统工作原理
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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。
前馈反馈控制
前馈反馈控制串级控制的主回路和副回路都是闭环负反馈控制系统。
前馈反馈控制系统的前馈控制是一开环控制，反馈控制是一闭环负反馈控制。
串级是调节被控量使其不偏离给定值，而前馈是专门针对干扰量的，前馈控制一般用在变量无法控制的场合串级控制的副变量和主变量之间一般都有相互干扰因素，这种干扰因素有多大可以简单或者大约量化。
相反，前馈控制变量是不可控的，不仅对调节变量影响大，而且有可能会干扰对主变量的判断，也就是造成假象。
而且，一条前馈路径只能针对一个可测干扰、最常见的过程控制系统有DCS、PLC等，DCS侧重模拟量控制，PLC侧重开关量控制，PLC的开关量控制周期相对DCS来说具有较大优势，能够达到几个毫秒，但是目前2种系统都对自己的弱项进行了强化，因此相互之间差异的越来越小了。
2、反馈控制属于闭环控制，将被控对象的值采集并与设定值进行比较，根据差值来决定控制输出变化，形成闭环。
3、如果在这个差值上叠加可能造成被控对象值变化的另一个对象参数的值与作用系数的乘积，以提前预知被控对象可能的变化趋势并提前做出响应，那么就成了前馈控制。
4、FCS 是现场总线，可以作为DCS系统的现场设备管理层网络，能够通过1根总线连接现场设备，通过专用协议卡接入DCS系统，能够节省大量电缆。
5、串级控制是指由2个PID控制回路组成，分为外环和内环，其中外环的控制输出值作为内环的输入设定值。
前馈反馈控制的原理：前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。
在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。
因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。
但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。
前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。
如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。
过程控制_第4章_前馈控制系统讲解
前馈—反馈控制系统优点：
（1）由于增加了反馈回路，只需对主要的干扰进行 前馈补偿，其它干扰可由反馈控制予以校正，大大简 化了原有前馈控制系统； （2）反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度 要求； （3）负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控 制加以补偿，因此系统具有一定自适应能力。 （4）当前馈信号加在反馈信号之前时，前馈控制器 特性不仅与扰动通道特性和控制通道特性有关，而且 与反馈控制器特性有关。（同学试自己推导）
Y2
前馈-反馈控制方框图
干扰N对被控变量Y的闭环传递函数为：
Y(S)
Wf (S)
Wff (S )Wo (S )
N (S ) 1 TC(S )Wo (S ) 1 TC(S )Wo (S )
Sp - TC(S)
Wff(S)
+
N
Y1
Wf(S)
Wo(S) + Y
Y2
Y(S)
Wf (S)
Wff (S)Wo (S)
单纯前馈控制的存在问题： (1) 补偿效果无法检验：单纯前馈不存在被控变量的 反馈，补偿效果没有检验的手段，前馈作用并没有最 后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的 校正。 （2）多个干扰成本大：由于工业对象存在多个干扰， 势必要设置多个前馈控制通道，因而增加了投资费用 和维护工作量。 （3）控制精度不高：前馈控制模型的精度也受到多种 因素的限制，对象特性要受到负荷和工况等因素的影 响而产生漂移，导致Gff(s)和Gpc(s)的变化。
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前 馈调节器又称为“扰动补偿器”。
②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、 静态偏差比较快速有效。
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。
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。
前馈控制和反馈控制
前馈控制和反馈控制standalone； self-contained； independent； self-governed；autocephalous； indie； absolute； unattached； substantive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。
锅炉汽包水位前馈-反馈控制
炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大O于给水量，水位t变
水位H
化应如图中曲线H1所示。但实际情况并非如此。H2
❖ 由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降。 汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸O，水H中1 气H 泡迅速t增
加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图中的
H2。
❖ 而实际显示的水位响应曲线H为H1与H2的叠加，即H=
17
基础知识
❖ 对于小型锅炉 ❖ 小型锅炉的汽包内，水的停留时间长、负荷变化小，
虚假水位现象不明显，单冲量控制系统可以保证锅炉 的安全运行。 ❖ 对于大型超高压（接近临界压力）锅炉 ❖ 因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，虚假水位 现象并不显著，也可以采用单冲量控制。 ❖ 对于大量的大、中型锅炉 ❖ 单冲量控制不能满足要求。
Dpro
锅炉汽包水位前馈-反馈控制
《深入浅出过程控制-小锅带你学过控》
实验目的
❖ 掌握前馈控制系统的特点 ❖ 掌握前馈-反馈控制系统的结构与特点 ❖ 掌握锅炉汽包水位的双冲量控制
2
基础知识
本次实验使用 Boiler 工程，涉及 到的内容是虚线圈 起来的这一部分。
3
基础知识
❖ 汽包 ❖ 经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧
制规律采用比例特性，实施方便。
26
前馈-反馈控制系统知识
❖ 前馈-反馈控制系统的好处
▪ 利用前馈控制有效地减少干扰对被控变量的动态影响
▪ 利用反馈控制使被控变量稳定在设定值上，保证了系统较高
的控制质量
干扰
前馈 控制器
干扰通道
设定值 -
反馈 控制器
调节阀
被控对象
测量变送
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当f(t)不为零时，该系统的不变性定义为：y(t ) 0 按照控制系统输出参数与输入参数的不变性程度， 有绝对不变性、e不变性和稳态不变性等几种不变性类型。
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计
绝对不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)在
整个过程中始终保持不变。即e动＝e静＝0。如下图所示。
Gn ( s ) G (s)
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--前馈－反馈控制系统
前馈－反馈控制系统 （一） 前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制；
完全补偿难以实现。（1）难以准确地掌握过程扰动通 道和控制通道Gn(s) 和G(s)的特性。有些过程对象常含有非 线性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一 的前馈模型难以适应。（2）有些前馈模型Dn(s)难以实现， 只能用计算机完成。（3）一个扰动需要一个测量变送装 置，干扰多时，造成控制系统庞大。
第六章 常规控制技术（二） 6.4 前馈反馈控制技术
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点 6.4.2 不变性原理与前馈控制器
6.4.3 前馈控制的几种结构形式
前馈反馈控制
前面各部分讨论的控制系统，都是带有反馈的闭环系 统。当被控系统受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差，
控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。
t
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计--前馈控制器
2、前馈控制器： 前馈控制器的设计依据是不变性原理。前馈控制系统由 两部分组成。当扰动发生后，通过扰动通道引起被控量的
变化。同时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的 控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以 抵消扰动对被控对象的影响。
作用，而对系统中的其它扰动无校正作用。
前馈控制器的控制律有时较复杂。
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计--不变性原理
1、不变性原理：控制系统的被控量与扰动量完全无关， 或在一定的准确度下无关。
任何一个系统，总是希望被控量受扰动的影响越小 越好。如图： f(t) y(t)
被控对象 扰动 被控量
蒸汽 kv TC
温度调节器
20
pD q
qD
温度传感器
TT q
1
热交换器
2
冷凝液
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
pD q
1
20
-
TC
kv
2
广义被控对象 TT
上图中，当扰动（物料流量q，入口温度1，蒸汽压力pD）
发生后，引起：
2 e 20 2 kv qD 2
冷凝液
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点--前馈控制的特点
前馈控制器“基于扰动来消除扰动对被控量的影 响”，又称前馈控制为“扰动补偿”。 扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被 控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效。 前馈控制属于开环控制。因此只要系统中各环节是 稳定的，则控制系统必然稳定。 一条前馈只对被前馈的可测而不可控的扰动有校正
f(t)
t y(t)
图中；f(t)为扰动，y1(t)为由扰动 引起的被控参数的变化。y2(t)为
y1 (t )
t
前馈控制器对被控参数的影响。 y(t)为被控参数的实际变化量。 y(t)=y1(t)+y2(t)=0
y (t ) y1 (t ) y 2 (t )
y 2 (t )
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--静态和动态前馈控制系统
静态前馈控制系统 根据稳态不变性原理设计静态前馈控制器。这种补偿 只能在稳态时实现对扰动的补偿。
Gn ( s ) Dn ( s) Km G( s)
动态前馈控制系统 根据绝对不变性原理设计动态前馈控制器。
Dn ( s )
e不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，被控参数y(t)的偏 差小于一个很小的e值。即|y(t)|<e，[当f(t)不为零时]。
稳态不变性：指系统在扰动f(t)的作用下，虽然被控参数 y(t)的动态偏差不为零，但其静态偏差恒为零，即：
lim y (t ) 0, [ f (t ) 0]
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
反馈控制的特点为：
反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。如果没有 偏差出现，也就没有控制作用。 无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏差后，
调节器才动作。故调节器的动作总是落后于扰动作用的发 生，是一种相对“不及时”的控制。
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点--前馈控制的特点
若能在扰动出现时就进行控制，而不是等到偏差发生
后再进行控制，这样就能更有效地消除扰动对被控参数的 影响。前馈控制就是依据这个思路提出来的。
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
• 反馈控制的特点 [例]如图所示为换热器温度控制系统原理框图。图中：Q2 为热流体温度；Q1为冷流体温度，q为流体的流量，qD为蒸 汽的流量，pD为蒸汽的压力，kv为调节阀开度。
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计--前馈控制器的典型结构
前馈控制器的典型结构
图中，Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数；Dn(s)是前馈
控制器的传递函数；G(s)被控对象的传递函数。n为可测不 可控的干扰；y为被控参数；假定u1＝0，有：
Y (s) Y1 (s) Y2 (s) [ Dn (s)G(s) Gn (s)]N (s) 整理得：Y ( s) Dn ( s)G ( s) Gn ( s) N ( s)
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计--前馈控制器的典型结构
根据绝对不变性原理：
Y ( s) Dn ( s)G ( s) Gn ( s) 0 N ( s)
由此得到前馈控制器传递函数为：
Gn ( s ) Dn ( s ) G (s)
也可由e不变性或稳态不变性原理来设计前馈控制器。（略）
• 前馈控制的特点 [例]换热器前馈控制。如果该系统中物料流量q是被控量2 的主要扰动。如果q变化频繁且幅值大，对出口温度2的影 响最大。这时可考虑采用前馈控制。
蒸汽 qD 前馈控制器 kv
u ft
前馈控制器 qD
q
Hale Waihona Puke 2广义被控对象流量传感器 q q
热交换器
2
q u ft kv 2