前馈反馈控制技术

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 )
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。
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
Dn(s) Un(s) R(s) E(s) U1(s) U(s) D(s) G(s) N(s) Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
(a)
图(a)中前馈信号接在反馈控制器之后。可知：在扰动N(s) 的作用下，系统的输出为：
Y (s) Gn (s) N (s) Dn (s)G(s) N (s) D(s)G(s)Y (s)
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--数字前馈反馈控制系统
Y(s)
Gn ( s)
K1 1s K 2 2 s e ，G( s) e ， 1 2 1 T1s 1 T2 s
Dn ( s )
un ( s ) s 1 / T2 s K1T2 Dn ( s) Kf e ，K f N ( s) s 1 / T1 K 2T1 dun (t ) 1 dn(t ) 1 un (t ) K f [ n(t )] dt T1 dt T2 若采样周期T足够短（并设=mT，即纯滞后时间是采样周 期T的整数倍） ，可对微分项离散化，得到差分方程。
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s) N(s)
(a) Dn(s) Un(s) R(s) E(s) U(s) D(s) G(s)
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
(b)
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--前馈－反馈控制系统
典型前馈－反馈控制系统控制效果分析（一）
分析 (1)：在单纯的 前馈控制时，有：
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
(a)
Y ( s) Gn ( s) Dn ( s)G ( s) N ( s)
与上式相比，前馈－反馈控制时干扰对被控量的影响比单纯 前馈控制小 倍。 1 1 D( 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
上式中：右边第一项为干扰对输出量的影响，第二项为前 馈校正作用，第三项为反馈校正作用。
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--前馈－反馈控制系统
传递函数为：
Dn(s) Un(s) R(s) E(s) U1(s) U(s) D(s) G(s)
N(s)
Y ( s) Gn ( s) Dn ( s)G ( s) N ( s) 1 D( s)G ( s)
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
6.4.2 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）
R(s)
Dn(s) Un(s) E(s) U(s) D(s) G(s)
N(s)
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
(b)
Y (s) Gn (s) N (s) Dn (s) D(s)G(s) N (s) D(s)G(s)Y (s) 传递函数为： Y ( s) Gn ( s) Dn ( s) D( s)G ( s) N ( s) 1 D( s)G( s) 在完全补偿条件下（绝对不变性），前馈控制器为：
Gn ( s) Dn ( s) D( s)G( s)
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--数字前馈反馈控制系统
（四）数字前馈－反馈控制算法
Y(s)
图中：T为采样周期；Dn(z)为前馈控制器； D (z)为反馈控
制器； H(s)为零阶保持器；
假设：Gn ( s)
K1 1s K 2 2 s e ，G( s) e ， 1 2 1 T1s 1 T2 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]
• 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
2
广义被控对象
流量传感器 q q
热交换器
2
q u ft kv 2
分析 (2)：在前馈－ 反馈控制系统中，根 据绝对不变性原理得：
R(s) E(s) D(s)
Dn(s) Un(s) U1(s) U(s) G(s)
N(s)
Gn(s) Y1(s) + + Y2(s) Y(s)
Y ( s) Gn ( s) Dn ( s)G ( s) 0 (a) N ( s) 1 D( s)G ( s) Gn ( s) 这与单纯前馈控制系统时相同 Dn ( 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
（二） 前馈－反馈控制系统 为了解决上述前馈控制的局限性，吸收前馈控制对扰动的 补偿作用和反馈控制对偏差的控制作用的优点，可组成前馈－ 反馈控制系统。
流量前馈控制器
加热炉 流量传感器 温度传感器Βιβλιοθήκη u ffc+
i
qB
燃料
qF
物料
温度控制器
[例]炼油装置加热炉的前馈－反馈控制系统。图中，为被控量，物
料流量qF经常发生变化。因而对此干扰实行前馈控制。当qF变化时， 通过FT，FFC的信号变化，从而调节阀门的开度，改变。
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--前馈－反馈控制系统
（三） 典型前馈－反馈控制系统结构图
Dn(s) Un(s) R(s) E(s) U1(s) U(s) D(s) G(s) N(s)
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。
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
分析(3)：在反馈控制系统中，稳态精度与稳定性存在矛盾。 而前馈－反馈控制能在一定的程度上解决这一矛盾，提高控 制品质。
6.4.3 前馈控制的几种结构形式--前馈－反馈控制系统
典型前馈－反馈控制系统 控制效果分析（二） 图(b)中前馈信号接在反馈控 制器之前。可知：在扰动N(s) 的作用下，系统的输出为：
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。