6 实验七 前馈-反馈调节系统(模拟系统)解析
前馈-反馈控制系统的具体分析及其MATLAB／Simulink仿真
制器参数的工程整定， 使控制系统的设计变得简单、 易行。
关键词 ： 前馈 一反馈控 制 系统 ； Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ ； 仿真
１ 引言
随着 生产过 程工艺 的发展 及技 术 的进 步 ，对 自 动控 制系 统的要 求也越 来越 高 。工 业控 制对 象往往 伴 随大量 的干扰 ，采用 常规 的反馈 控制 系统 有时很 难获 得 良好 的控 制质量 ，为 了适应 控制 系统 中存在 的这些 干扰 ，在 控制理论 中提 出了补偿 控制 的基 本
前馈控制器的传递 函数 ； ｃ （ Ｓ ） 为控制通道的传递 节 ， 系统存 在着 稳定 性 问题 。 函数 ； Ｇ ： （ ｓ ） 为被控对象的传递函数 。在扰动量 Ｍ
（ Ｓ ） 的作 用下 ， 系统输 出为 ：
Ｙ（ ｓ ）＝Ｍ（ ｓ ） （ Ｇ ｆ （ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） ＋ Ｇ （ Ｓ ）） Ｇ ： （ ｓ ）
Ｙ（ ｓ ） ＝ Ｘ（ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） Ｇ （ ｓ ） ／
（ Ｉ ＋ Ｇ （ ｓ ） Ｇ （ Ｓ ） Ｇ （ ｓ ） Ｈ（ ｓ ））
（ ２）
前 馈控 制 与反馈 控制 的 比较 ： ａ）由图 １ 可知 ， 前 馈 控 制处 于 开 环控 制 状态 ， 其 系统 的稳 定性 依赖 各个 环节 的稳 定性 ，即其 控制
ｂ ）从 式 （ １ ） 可知 ， 前 馈控 制器依 赖 于控制模 型
的准 确性 。不 同 的被控 对象 ， 其设计 结果 也不一 样 ，
相 对来 说 ， 前馈 控制 器是 专用 控制器 。 反 馈控制 系统 经常 采用 的 Ｐ Ｉ Ｄ控制 器是一 种 广泛适用 的控 制器 。
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
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。
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为副变量，输出信 号为主参数(主变量)。
副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
过程控制课程设计--前馈-反馈控制系统的设计与整定
过程控制课程设计--前馈-反馈控制系统的设计与整定北华航天工业学院课程设计报告（论文）设计课题：过程控制专业班级：学生姓名：指导教师：设计时间：201311.25-2013.12.06北华航天工业学院电子工程系过程控制课程设计任务书指导教师：教研室主任：2013年12月6日内容摘要自本世纪30年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。
自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System）、随动控制系统（Follow-up Control System）、过程控制系统（Process Control System）。
前馈-反馈控制系统的设计与整定，采用自动控制技术，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。
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。
关键词：自动化过程控制PID目录一概述 (1)二方案设计与论证 (2)2．1 前馈控制 (2)2．2 反馈控制 (2)2．3 前馈-反馈控制 (3)2．4前馈-反馈控制系统PID算法 (4)2．5 控制方案的论证 (5)2．5．1控制方案的可靠性 (5)2．5．2控制方案的安全性 (5)2．5．3控制方案的经济性 (5)三仪表的选择与参数的设定………………………………………………………6 3．1 设备型号 (6)3．2 调节器及其参数的设置 (7)3．3 仪器仪表的组合安装 (8)3．4 计算机的参数设置 (9)四实验步骤…………………………………………………………………………9 五实验结果………………………………………………………………………10 六结论 (11)七心得体会………………………………………………………………………12 八参考文献………………………………………………………………………13一、概述PCT—I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。
前馈反馈控制系统
一、前馈控制系统设计1、前馈控制系统选择原则1.1扰动量可测不可控原则 (2)1.2控制系统精确辨识原则 (2)1.3被控系统自衡原则 (3)1.4优先性原则 (3)1.5经济性原则 (4)2、工程整定2.1整定的总体原则2.1.1稳定性 (4)2.1.2 快快速性 (5)2.1.3反馈控制的静差 (5)3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5)二、实例仿真 (6)2.1前馈控制系统整定 (7)2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7)2.3、反馈控制系统整定 (8)2.4、系统仿真 (9)三、................................................. 心得体会11四、................................................. 参考文献12一、前馈控制系统设计1.1前馈控制系统选择原则前馈控制系统的选择主要有一下原则：1.1.1扰动量可测不可控原则扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。
如果干扰可控，则可通过控制方法消除扰动对系统的影响，而没有必要采用前馈这种迂回的方式，在被控系统“腹中”消除干扰的影响了。
例如在很多过程控制中，温度是一个主要干扰源。
温度可以测量（直接测量或间接测量），满足可测条件。
而在某些环境如实验室中，温度可以通过空调等进行调节（不满足不可控条件），将温度对控制对象的影响降到最低，这时就没有必要对温度采取前馈控制方式消除影响了。
而在很多现场情况下（如被控对象在室外等），温度不易调节（满足不可控条件），这时应米取前馈控制方式消除由于温度对系统的影响。
1.1.2控制系统精确辨识原则控制中的每一个环节的传递特性都应能精确辨识。
作为开环控制，构成前馈控制系统中的任何一个环节都应尽可能准确，因为开环控制系统中的任何一环节对系统的控制精确度都有一定影响。
相比之下，闭环控制对系统中环节的要求要“松”得多。
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。
自动控制系统分类方法
3 复合调节系统（前馈-反馈调节系统）
内容小结
反馈 调节系统
前馈 调节系统
复合 调节系统
感谢观看
根据扰动信号进行调节，系统的输出端与输入端之间不存 在反馈通道，输出量对系统的控制作用没有影响。
传感器
调节器
执行器
干扰 被调量
被调对象
2 前• 扰动：蒸汽流量 • 在水位发生变化之前就启动调
节系统进行调节，使水位基本 上不变。
• 及时有效的抑制被调量的变化 • 系统不会出现震荡 • 调节作用及时 • 不能保证被调量等于给定值 • 对与不能测量的干扰，无法及时
调节，最后达到减小和消除偏差的目的。
1 反馈调节系统（闭环调节系统）
以汽包水位调节为例
特点：
• 在水位发生变化以后进行调节， 最终水位恢复正常。
• 在此过程中，水位有一定波动。
• 保证在稳态时被调量等于给定值。 • 调节时间长 • 容易出现震荡 • 调节作用不及时
2 前馈调节系统（开环调节系统）
热工控制与保护
自动控制系统 分类
一、反馈调节系统 二、前馈调节系统 三、复合调节系统
按系统的结构特点（工作原理）分类
反馈调节系统（闭环调节系统） 前馈调节系统（开环调节系统） 复合调节系统（前馈-反馈调节系统）
1 反馈调节系统（闭环调节系统）
分为正反馈和负反馈
负反馈基本工作原理： 根据被调量与给定值之间的偏差进行
调节。 • 一般不会单独使用，而是与反馈
调节配合使用。
3 复合调节系统（前馈-反馈调节系统）
复合调节就是前馈调节和反馈调节相结合的一种调节系统
• 前馈调节——及时调节，克服主要扰动对被调量的影响。 为粗调。
过程控制实验指导书讲解
过程控制实验指导书授课学时：16课时授课专业：自动化授课教师：姜倩倩目录过程控制实验项目一览表 ............................................................................................ - 1 - 实验一：一阶系统数学模型的建立 ............................................................................ - 2 - 实验二：PID控制器参数自整定............................................................................... - 4 - 实验三水箱液位PID控制........................................................................................ - 8 - 实验四水箱压力的PID调节控制 .......................................................................... - 14 - 实验五串级水位控制系统设计 ............................................................................ - 17 - 实验六前馈-反馈控制系统仿真实验 .................................................................... - 19 - 实验七单片机液位控制系统 .................................................................................. - 22 - 实验八单容液位PLC控制 ...................................................................................... - 25 -过程控制实验项目一览表实验参考书：GK-1型操作说明书.实验指导书实验一：一阶系统数学模型的建立一、实验目的1．熟悉利用计算法建立系统一阶惯性环节加纯迟延的近似数学模型的方法；2．学会利用MATLAB/Simulink对系统建模的方法。
实验7 前馈控制系统综述
实验报告要求
• 根据实验结果，进行认真的总结和分析，写出实验报告
• 思考题：
1. 前馈控制器的参数整定应按什么要求？ 2. 试比较反馈控制和前馈-反馈控制在施加相同干扰时的控制效果，说
明其差别并解释原因。
3. 试比较静态反馈补偿和动态反馈补偿的补偿效果，说明其差别并解 释原因。
4. （自控专业必做）用matlab仿真前馈-反馈控制方案。
前馈-反馈控制系统
GPD ( s) GPC (s) • GPD(s)为干扰通道传递函数，GPC(s)为调节通道传递函数
• 前馈补偿环节模型 G ff ( s) • 补偿环节的传递函数形式为：干扰通道的传递函数与调节通道的传递 函数之比 • 实际中的各控制系统扰动通道与调节通道传递函数各不相同，它们的 传递函数形式也会多种多样；特别有可能是高阶的、非线性的或带有 纯滞后项的 • 但若模型形式过于复杂，会造成表达、求解等一系列困难，所以若纯 滞后时间与对象的时间常数相比很小，且对象具有自衡能力，通常仅 采用一阶惯性环节的形式处理
提示：调节通道的参数在前面的实验中已获取，可直接带入
3. 将计算得出的参数Kff =Kf /Kc，放入 前馈补偿操作器相应的输入框中，
点击“确定”。而T1 、T2先分别设
置为相等的数值，默认取100。
运行反馈系统
1. 系统稳定后，将反馈控制器1投入自动； 注意：无扰动切换 2. 将单回路反馈控制器的P、I参数放置好，在液位达到稳定的情况下
FV101
AO0±
前馈-反馈控制器加法输出
偏移量 前馈MV2 ADD AO0 1#PID-MV1
Gff 及ADD
• 加法输出：AO0 =MV1+前馈MV - 偏移量 • 式中：前馈MV= - kff * (1)/(T2s+1)* Q1
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8-8
第2次做 U1=50%
U2=25%~40%
8-9
第3次做 U1=50%
U2=25%~40%
8-10
六、实验分析
我对实验所得到的曲线进行了认真、细致的分析，写出上表所示的分析结论。
五、回答思考题
1. 前馈一反馈混合调节系统同单纯的反馈调节系统相比有何优点？ 答： 2. 前馈一反馈混合调节系统与前馈系统相比有何优点？ 答：
恒流器Ⅰ
6.5mA 4mA
恒流器Ⅱ
DV DV － SP + 干扰
e
前馈调节器
MV （0～10mA）
水槽Ⅱ
h1
水槽Ⅲ
被控参数h2
－ PV 0～10mA
测量变送器
8-12
六、实验总结
8-13
实验七
前馈－反馈调节系统
一、实验目的
1. 熟悉前馈一反馈调节系统的组成原理。
2. 掌握前馈一反馈调节系统的投运方法。 3. 掌握前馈一反馈调节系统的整定方法。
二、实验设备
过程控制系统实验装置、连接导线
8-1
三、实验原理
6.5mA 4mA
恒流器Ⅰ
恒流器Ⅱ
前馈调节器 DTL－321
＋
干扰
水槽Ⅱ
SP + － PV
3. 将调节器打到硬手动。调节手动拨盘，使其输出表头指示 30% (3mA) 3、鼠标单击 “水箱1液位控制器”，调MV(U1)=50%。
5. 拉出前馈调节器，将其正、反作用开关打到“反”位置。 6. 把前馈控制器、反馈控制器的PID参数按下表设定
7. 启动两台水泵。等待液位稳定。
8-4
8. 当液位稳定后（记录仪画直线），调调节器给定值旋钮，使测量值指针与给定值指针对 齐（即偏差e＝SP－PV＝0），然后将调节器打到“自动”，再将开关K从Ⅰ搬到Ⅱ（鼠
恒流器 Ⅱ
流量计 Ⅱ
记录仪
反馈调节器 Ⅰ
前馈调节器 Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ 切换开关
加法器
8-3
五、实验步骤及实验记录
8mA 1. 将水龙头1、2打开，其余关。
1水槽 2水槽
3mA
2. 开关K搬到Ⅱ位置，调恒流器Ⅱ的输出为 3 mA。
3水槽
开关K搬到Ⅰ位置，调恒流器Ⅰ的输出为 8 mA。 2、鼠标单击实验界面中的“设置U2” 按钮，调U2 =25%）
结论：经过仔细调整，反复整定，本次 调节器PID参数整定得比较合适，已使 被控参数曲线h3已达4：1衰减。 最大偏差、余差、调节时间，衰减 比等质量指标都比单纯的单回路反馈系 统、前馈调节系统调节质量要好
8-6
第1次做 50%
U2=25%~40%
8-7
第1次做
U1=50%
U2=25%~40%
复仔细改变比例度δ值，重复步骤8整定第二次，第三次……使干扰造成影响最小，以获得最佳补偿效果。 调节器参数 前馈调节器参数设置 实验得到的曲线 对实验曲线进行分析
前馈调节器 δ ＝100% KC=-1.92 T1 ＝220s 前馈调节器 TI ＝∞ TD＝0 T2 ＝260s P控制 Tao ＝0s 反馈调节器 δ ＝40% KC =1.5 TI ＝120S TI ＝120S TD＝0 TD＝0
标单击“自动”按钮，把控制器投入自动控制，再单击“设置U2”按钮，调U2 = 35%）。 加入干扰。
恒流器Ⅰ
6.5mA
4mA
恒流器Ⅱ
干扰 － SP + － PV 前馈调节器 DTL－321
水槽Ⅱ
H2
水槽Ⅲ
被控参数H3
0～10mA
记录仪
测量变送器 DBC－211
8-5
9. 把每次记录仪记下的曲线记入上表，看曲线是否达到“最佳补偿”，若达到，则参数整定完毕。否则，反
3. 前馈一反馈调节系统与串级调节系统相比较各有何优点？ 答：
8-11
2. 前馈调节与反馈调节有什么本质的区别？ 答：两者的本质的区别是： (1) 前馈调节是根据扰动量的大小进行调节，是开环调节，一次性调 节，调节作用及时、有效。但调节质量不够高，具有一定局限性。 (2) 而反馈调节是根据测量值与给定值的偏差大小进行调节，是闭环调 节，调节要等到偏差出现时才调节，不够及时。但调节质量比较高。
反馈调节器 DTL－321
＋
加法器 DJJ－321
H2
水槽Ⅲ
被控参数H3
0～10mA
测量变送器 DBC－211
8-2
四、实验接线
按下图连接好实验接线
1 水龙头 2 3 4 5 6 mA 流量计 mA
手动阀 水槽 水泵 电动阀
LT1
LT2
LT3
液位Ⅰ
液位Ⅱ
液位Ⅲ
流量计 Ⅰ
伺服放 大Ⅰ
恒流器 Ⅰ
伺服放 大Ⅱ
反馈调节器 (P控制)
结论：对左边实验曲线进行分析可知， 本次调节器PID参数整定不合适，没能 使被控参数达到4：1衰减。 但最大偏差、余差、调节时间、衰减比 等都比单纯的单回路反馈系统、前馈调 节系统调节质量要好。
前馈调节器 δ ＝90% KC=-1.92 TI ＝∞ T1 ＝220s TD＝0 T2 ＝260s Tao ＝0s 反馈调节器 δ ＝50% KC =1.3 TI ＝130S TI ＝125S TD＝0 TD＝0