1、內(nèi)容提要前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)擾動的大小來進行控制的系統(tǒng)，和反饋控制系統(tǒng)相比，它具有快速、及時的優(yōu)點，但是不容易做到完全補償。本章主要介紹前饋控制系統(tǒng)的基本原理、主要控制結(jié)構(gòu)和簡單應(yīng)用。4.1 前饋控制原理前面所討論的控制系統(tǒng)中，控制器都是按照被控變量與設(shè)定值的偏差來進行控制的，這就是所謂的反饋控制，是閉環(huán)的控制系統(tǒng)。反饋控制的特點在于，總是在被控變量出現(xiàn)偏差后，控制器才開始動作，以補償擾動對被控變量的影響。如果擾動雖已發(fā)生，但被控變量還未變化時，控制器則不會有任何控制作用，因此，反饋控制作用總是落后于擾動作用，控制很難達到及時。即便是采用微分控制，雖可用來克服對象及環(huán)節(jié)的慣性滯后（時間常數(shù)）T和

2、容量滯后 ，但是此方法不能克服純滯后時間 ?？紤]到產(chǎn)生偏差的直接原因是擾動，因此，如果直接按擾動實施控制，而不是按偏差進行控制，從理論上說，就可以把偏差完全消除，即在這樣的一種控制系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)擾動，控制器將直接根據(jù)所測得的擾動大小和方向，按一定的規(guī)律實施控制作用，以補償擾動對被控變量的影響。由于擾動發(fā)生后，在被控變量還未出現(xiàn)變化時，控制器就已經(jīng)進行控制，所以稱此種控制為“前饋控制”（或稱為擾動補償控制）。這種前饋控制作用如能恰到好處，可以使被控變量不再因擾動作用而產(chǎn)生偏差，因此它比反饋控制及時。如圖4.1所示，是換熱器的前饋控制系統(tǒng)及其方框圖。圖中，加熱蒸汽流過換熱器，把換熱器套管內(nèi)的冷物

3、料加熱。熱物料的出口溫度用蒸汽管路上的控制閥來調(diào)節(jié)。引起出口溫度變化的擾動有冷物料的流量與初溫、蒸汽壓力等，其中最主要的擾動是冷物料的流量Q。設(shè) 為擾動通道的傳遞函數(shù)， 為控制通道的傳遞函數(shù)， 為前饋補償控制單元的傳遞函數(shù)，如果把擾動值（進料流量）測量出來，并通過前饋補償控制單元進行控制，則 （4-1）圖4.1 換熱器的前饋控制系統(tǒng)及其方框圖為了使擾動對系統(tǒng)輸出的影響為零，應(yīng)滿足（4-2） 即（4-3）式（4-3）即為完全補償時的前饋控制器模型。由此可見，前饋控制的好壞與擾動特征和對象模型密切相關(guān)。對于精確的對象與擾動數(shù)學(xué)模型，前饋控制系統(tǒng)可以做到無偏差控制。然而，這只是理論上的愿望。實際過程

4、中，由于過程模型的時變性、非線性，以及擾動的不可完全預(yù)見性等影響，前饋控制只能在一定程度上補償擾動對被控變量的影響。4.2前饋控制的特點及局限4.2.1 前饋控制的特點 （1）前饋控制是一種開環(huán)控制圖4.1所示系統(tǒng)中，當(dāng)測量到冷物料流量變化的信號后，通過前饋控制器，其輸出信號直接控制調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變加熱蒸汽的流量。但加熱器出口溫度并不反饋回來，它是否被控制在原來的數(shù)值上是得不到檢驗的。所以，前饋控制是一種開環(huán)控制，從某種意義上來說這是前饋控制的不足之處。因此前饋控制對被控對象特性的掌握必須比反饋控制清楚，才能得到一個較合適的前饋控制作用。（2）前饋控制是一種按擾動大小進行補償?shù)目刂茢_動一

5、旦出現(xiàn)，前饋控制器就檢測到其變化情況，及時有效地抑制擾動對被控變量的影響，而不是像反饋控制那樣，要待被控變量產(chǎn)生偏差后再進行控制。在理論上，前饋控制可以把偏差徹底消除。如果控制作用恰到好處，前饋控制一般比反饋控制要及時。這個特點也是前饋控制的一個主要特點?；谶@個特點，可把前饋控制與反饋控制作如下比較，見表4.1。表4.1前饋控制與反饋控制的比較控 制 類 型控制的依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動量的大小擾動量偏差出現(xiàn)前（3）前饋控制使用的是視對象特性而定的“專用”控制器一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用類型的PID控制器，而前饋控制器的控制規(guī)律為

6、對象的擾動通道與控制通道的特性之比，如式（4-3）所示。（4）一種前饋控制作用只能克服一種擾動由于前饋控制作用是按擾動進行工作的，而且整個系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種擾動而設(shè)置的前饋控制只能克服這一擾動，而對于其他擾動，前饋控制器無法檢測到，也就無能為力了；而反饋控制就可克服多個擾動。所以這也是前饋控制系統(tǒng)的一個弱點。（5）前饋控制只能抑制可測、不可控的擾動對被控變量的影響如果擾動是不可測的，那就不能進行前饋控制；如果擾動是可測可控的，則只要設(shè)計一個定值控制系統(tǒng)就行了，而無需采用前饋控制。4.2.2 前饋控制的局限性前饋控制雖然是減少被控變量動態(tài)偏差的一種有效的方法，但實際上，它卻做不到對擾動的

7、完全補償，主要原因如下所述。（1）在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，影響被控變量的擾動因素很多，不可能對每個擾動都設(shè)計一套獨立的前饋控制器。（2）對不可測的擾動無法實現(xiàn)前饋控制。（3）前饋控制器的控制規(guī)律取決于控制通道傳遞函數(shù) 和擾動通道傳遞函數(shù) 而 和 的精確值很難得到，即便得到有時也很難實現(xiàn)。所以為了獲得滿意的控制效果，合理的控制方案是把前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。這樣，一方面可以利用前饋控制有效地減少主要擾動對被控變量的影響；另一方面，則利用反饋控制使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而保證系統(tǒng)具有較高的控制質(zhì)量。4.3前饋控制系統(tǒng)的幾種主要結(jié)構(gòu)4.3.1單純的前饋控制系統(tǒng)單純的

8、前饋控制系統(tǒng)分為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)及動態(tài)前饋控制系統(tǒng)。1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，就是指前饋控制器的控制規(guī)律為比例特性，即 ，其大小是根據(jù)過程擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù)和過程控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)決定的。靜態(tài)前饋控制的控制目標(biāo)是在穩(wěn)態(tài)下實現(xiàn)對擾動的補償，即使被控變量最終的靜態(tài)偏差接近或等于零，而不考慮由于兩通道時間常數(shù)的不同而引起的動態(tài)偏差。靜態(tài)前饋控制非常簡單，不需要專門的控制器，只要用DDZ儀表中的比例控制器或比值器就能滿足使用要求。在實際生產(chǎn)過程中，當(dāng)過程擾動通道與控制通道的時間常數(shù)相差不大時，采用靜態(tài)前饋控制，可獲得較高的控制精度，所以在生產(chǎn)上應(yīng)用較廣。例如，在圖4.1所示的換熱器前

9、饋控制中，當(dāng)冷物料流量為主要擾動時，要實現(xiàn)靜態(tài)前饋控制，可按穩(wěn)態(tài)時的能量平衡關(guān)系寫出其平衡方程，即（4-4） 式中， 為加熱蒸汽量； 為蒸汽汽化潛熱； 為冷物料流量； 為冷物料的比熱；T1、T2分別為冷、熱物料的溫度。由式（4-4）可得 （4-5） 如果冷物料溫度T1不變，由式（4-5）可求得控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)為而擾動通道的靜態(tài)放大系數(shù)為所以有（4-6） 式（4-6）就是換熱器靜態(tài)前饋控制方案中前饋控制器的靜態(tài)特性。可見，用比例控制器即可實現(xiàn)這一控制功能。2動態(tài)前饋控制系統(tǒng)如前所述，靜態(tài)前饋控制是為了保證被控變量的靜態(tài)偏差接近或等于零，而不能保證被控變量的動態(tài)偏差接近或等于零。當(dāng)需要嚴格控

10、制動態(tài)偏差時，則要采用動態(tài)前饋控制，即式（4-3）所示： 。它與時間因子有關(guān)，必須采用專門的控制器，所以實現(xiàn)起來比較困難。4.3.2前饋-反饋控制系統(tǒng)單純的前饋控制往往不能很好地補償擾動，存在不少局限性。主要表現(xiàn)在：不存在被控變量的反饋，無法檢驗被控變量的實際值是否為希望值；其次，不能克服其他擾動引起的誤差。為了解決這一局限性，可以將前饋與反饋結(jié)合起來使用，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)，以達到既能發(fā)揮前饋控制校正及時的特點，又保持了反饋控制能克服多種擾動并能始終對被控變量予以檢驗的優(yōu)點。如圖4.2（a）所示，為換熱器前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)示意圖；如圖4.2（b）所示，為換熱器前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)方

11、框圖。圖4.2 換熱器前饋-反饋控制系統(tǒng)由圖可見，當(dāng)冷物料（生產(chǎn)負荷）流量發(fā)生變化時，前饋控制器及時發(fā)出控制命令，補償冷物料流量變化對換熱器出口溫度的影響；同時，對于未引入前饋控制的冷物料的溫度、蒸汽壓力等擾動，其對出口溫度的影響則由PID反饋控制器來克服。前饋作用加反饋作用，使得換熱器的出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，獲得較理想的控制效果。在前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，控制輸入X（s）、擾動輸入F（s）對輸出的共同影響為（4-7）如果要實現(xiàn)對擾動F(s)的完全補償，則上式的第二項應(yīng)為零，即或可見，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)對擾動F（s）實現(xiàn)完全補償?shù)臈l件與開環(huán)前饋控制相同，所不同的是擾動F（s）對輸出的影

12、響要比開環(huán)前饋控制的情況下小 倍，這是由于反饋控制起作用的結(jié)果。這就表明，經(jīng)過開環(huán)補償以后，輸出的變化已經(jīng)不太大了，再經(jīng)過反饋控制進一步減小了 倍，從而充分體現(xiàn)了前饋-反饋復(fù)合控制的優(yōu)越性。此外，由式（4-7）可知，復(fù)合控制系統(tǒng)的特征方程式為1Gc（s）Go（s）0這一特征方程式只和 、 有關(guān)，而與 無關(guān)，即與前饋控制器無關(guān)。這就說明，加入前饋控制器并不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性完全取決于閉環(huán)控制回路。這就給設(shè)計工作帶來很大的方便。在設(shè)計復(fù)合控制系統(tǒng)時，可以先根據(jù)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法進行，而暫不考慮前饋控制器的作用，使系統(tǒng)滿足一定的穩(wěn)定性要求和一定的過渡過程品質(zhì)要求。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)確定以后，

13、再根據(jù)不變性原理設(shè)計前饋控制器，進一步消除擾動對輸出的影響。4.3.3前饋-串級控制系統(tǒng)分析圖4.2換熱器的前饋-反饋控制系統(tǒng)可知，前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出疊加后直接送至控制閥，這實際上是將所要求的物料流量與加熱蒸汽量的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為物料流量與控制閥間的關(guān)系。因此，為了保證前饋補償?shù)木?，對控制閥提出了嚴格的要求，希望它靈敏、線性及盡可能小的滯環(huán)區(qū)。此外，還要求控制閥前后的壓差恒定，否則，同樣的前饋輸出將對應(yīng)不同的蒸汽流量，這就無法實現(xiàn)精確的校正。為了解決上述兩個問題，工程上將在原有的反饋控制回路中再增設(shè)一個蒸汽流量副回路，把前饋控制器的輸出與反饋控制器的輸出疊加后作為蒸汽流量控制器

14、的設(shè)定值，構(gòu)成如圖4.3所示的前饋-串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的方框圖如圖4.4所示。圖4.3 換熱器前饋-串級控制系統(tǒng)圖4.4 換熱器前饋-串級控制方框圖當(dāng)串級控制系統(tǒng)中的副回路是一個很好的隨動系統(tǒng)，而且其工作頻率高于主回路工作頻率的10倍時，則前饋控制器傳遞函數(shù)可以寫成可見，無論哪種形式的前饋控制系統(tǒng)，其前饋控制器的傳遞函數(shù)均可以表示為對象擾動通道特性與控制通道的特性之比。4.4前饋控制系統(tǒng)的實施及應(yīng)用4.4.1前饋控制系統(tǒng)的實施通過對前饋控制系統(tǒng)幾種典型結(jié)構(gòu)形式的分析可知，前饋控制器的控制規(guī)律取決于對象擾動通道和控制通道的特性。工業(yè)對象的特性極為復(fù)雜，這就導(dǎo)致了前饋控制規(guī)律的形式繁多，但從工業(yè)應(yīng)

15、用的觀點看，尤其是使用常規(guī)控制儀表組成的控制系統(tǒng)，總是力求控制系統(tǒng)的模式具有一定的通用性，以利于設(shè)計、投運和維護。實踐證明，相當(dāng)數(shù)量的工業(yè)對象都具有非周期性與過阻尼的特性，因此經(jīng)常用一個一階或者二階容量環(huán)節(jié)，必要時再串聯(lián)一個純滯后環(huán)節(jié)來近似它。例如：（4-8）（4-9）則 （4-10）式中，Kf為靜態(tài)前饋放大系數(shù)， ； 式（4-10）所示為帶有純滯后的“超前-滯后”前饋控制規(guī)律，可按圖4.5組合而成，其滯后環(huán)節(jié)按 近似展開。圖4.5 實施方框圖當(dāng)和相差不大時，為了簡化前饋補償裝置，可采用如下簡化形式：（4-11）此種“超前-滯后”前饋補償模型已經(jīng)成為目前廣泛應(yīng)用的一種動態(tài)前饋補償模式，在定型的

16、DDZ-型儀表、組合儀表及微型控制機中都有相應(yīng)的硬件模塊。在沒有定型儀表的情況下，也可用一些常規(guī)儀表組合而成，如用比值器、加法器和一階慣性環(huán)節(jié)來實施，如圖4.6所示。這種通用型前饋控制模型在單位階躍作用下的輸出特性為（4-12）式中 。 圖4.6 （T1s+1）/（T2s+1）實施方框圖相應(yīng)于a1與a1的時間特性曲線如圖4.7所示。圖4.7 （T1s+1）/（T2s+1）在單位階躍作用下輸出的時間響應(yīng)由圖可見，當(dāng)a1時，即T1T2，前饋補償帶有超前特性，適用于控制通道滯后（指容量滯后，即時間常數(shù)）大于擾動通道滯后的對象。而若a1時，即，前饋補償帶有滯后性質(zhì)，適用于控制通道滯后小于擾動通道滯后的

17、對象。4.4.2 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用如何正確選用前饋控制系統(tǒng)是設(shè)計中首先碰到的問題。原則上講，在下列情況下可考慮選用前饋控制系統(tǒng)。（1）對象的滯后或純滯后較大（控制通道）、反饋控制難以滿足工藝要求時，可以采用前饋控制，把主要擾動引入前饋控制，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。（2）系統(tǒng)中存在著可測、不可控、變化頻繁、幅值大且對被控變量影響顯著的擾動時，采用前饋控制可大大提高控制品質(zhì)。所謂“可測”，是指擾動量可以采用檢測變送裝置在線轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電（或氣）信號。因為目前的某些參數(shù)，尤其是成分量還無法實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換，也就無法設(shè)計相應(yīng)的前饋控制系統(tǒng)。所謂“不可控”，有兩層含意。其一，指這些擾動難以通過設(shè)置單獨的控

18、制系統(tǒng)予以穩(wěn)定（這類擾動在連續(xù)生產(chǎn)過程中是經(jīng)常遇到的）；其二，在某些場合，雖然設(shè)置了專門的控制系統(tǒng)來穩(wěn)定擾動，但由于操作上的需要，往往經(jīng)常要改變其設(shè)定值，這也屬于不可控的擾動。（3）當(dāng)工藝上要求實現(xiàn)變量間的某種特殊關(guān)系，需要通過建立數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)控制時，可選用前饋控制系統(tǒng)。這實質(zhì)上是把擾動量代入已建立的數(shù)學(xué)模型中去，從模型中求解控制變量，從而消除擾動對被控變量的影響。當(dāng)決定選用前饋控制方案后，還需要考慮靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋的選擇問題。由于動態(tài)前饋的設(shè)備投資高于靜態(tài)前饋，而且整定也較麻煩，因此，當(dāng)靜態(tài)前饋能滿足工藝要求時，不必選用動態(tài)前饋。如前所述，對象的擾動通道和控制通道時間常數(shù)相當(dāng)時，用靜態(tài)前

19、饋即可獲得滿意的控制品質(zhì)。在實際生產(chǎn)過程中，有時會出現(xiàn)前饋-反饋控制與串級控制混淆不清的情況，這將給設(shè)計與運行帶來困難。下面簡要介紹兩者的關(guān)系與區(qū)別，指明在實際應(yīng)用中需要注意的問題。由于前饋-反饋控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)都是測取對象的兩個信息，采用兩個控制裝置，在結(jié)構(gòu)形式上又具有一定的共性，所以容易混為一談。我們以加熱爐為例說明這個問題。如圖4.8所示，分別為加熱爐的串級控制與前饋-反饋控制的系統(tǒng)原理圖，圖（a）是加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)，圖（b）為以進料流量為主要擾動而設(shè)計的前饋-反饋控制系統(tǒng)。兩者相比，系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是完全不同的。串級控制是由內(nèi)、外兩個反饋回路組成，而前饋-反饋控制則是由一個反饋回路和另一個開環(huán)的補償回路疊加而成的。圖4.8加熱爐的兩種控制系統(tǒng)如果作進一步分析將會發(fā)現(xiàn)，串級控制中的副變量與前饋-反饋控制中的前饋輸入量是兩個截然不同的概念。前者是串級控制系統(tǒng)中反映主變量的中間變量，控制作用對它產(chǎn)生明顯的調(diào)節(jié)效果；而后者是對主變量有顯著影響的擾動量，是完全不受控制作用約束的獨立變量，引入前饋控制器的目的是為了補償物料（原料油）流量對爐出口溫度的影響。此外，前饋控制器與串級控制中的副控制器擔(dān)負著不同的功能。本 章 小 結(jié)1前饋控制系統(tǒng)是按擾動信號進行的開環(huán)控制，其作用要比反饋