前馈控制系统的基
本原理
前馈控制系统
前馈控制系统的基本原理
前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。

图2.4-1物料出口温度θ需要维持恒定，选用反馈控制系统。

若考虑干扰仅是物料流量Q ，则可组成图 2.4-2前馈控制方案。

方案中选择加热蒸汽量s G 为操纵变
量。

图2.4-1 反馈控制 图2.4-2 前馈控制 前馈控制的方块图，如图 2.4-
3。

系统的传递函数可表示为：
)()()()()(1S G S G S G S Q S Q PC ff PD +=
（2.4-1）
式中)(s G PD 、)(s G PC 分别表示对象干扰
道和控制通道的传递函数；)(s G ff 为前馈控 图2.4-3 前馈控制方块图
制器的传递函数。

系统对扰动Q实现全补偿的条件是：
)
(≠
s
Q时，要求0
)
(=
s
θ（2.4-2）
将（1-2）式代入（1-1）式，可得
)
(s G
ff =
)
(
)
(
S
G
S
G
PC
PD
-（2.4-3）
满足（1-3）式的前馈补偿装置使受控变量
θ不受扰动量Q变化的影响。

图2-4-4表示
了这种全补偿过程。

在Q阶跃干扰下，调节作用
c
θ和干扰作用dθ的响应曲线方向相反，幅值相同。

因此它们的合成结果，可使θ达到图2.4-4 前馈控制全补偿示意图
理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。

显然，这种理想的控制性能，反馈控制系统是做不到的。

这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。

在干扰作用下，受控变量总要经历一个偏离设定值的过渡过程。

前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反馈回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。

1．前馈控制与反馈控制的比较
图2.4-5 反馈控制方块图图2.4-6 前馈控制方块图
由以上反馈控制系统与前馈控制系统方块图可知：
1)前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统
从图上能够看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，能够回到出发点形成闭合回路，成为“闭环”控制系统。

而在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭合环路，因此称其为“开环”控制系统。

2)前馈系统中测量干扰量，反馈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)前馈需要专用调节器，反馈一般只要用通用调节器
由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，一般每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不论干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。

4)前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰
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)前馈理论上能够无差，反馈必定有差
如果系统中的干扰数量很少，前馈控制能够逐个测量干扰，加以克服，理论上能够做到被控变量无差。

而反馈控制系统，无论干扰的多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。

前馈控制系统的几种结构形式
1．静态前馈
由（1-3）式求得的前馈控制器，它已考虑了两个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿器。

它追求的目标是受控变量的完全不变性。

而在实际生产过程中，有时并没有如此高的要求。

只要在稳态下，实现对扰动的补偿。

令（1-3）式中的S 为0，即可得静态前馈控制算式：
)
0()0()0(PC PD ff G G G -= （2.4-4） 利用物料（或能量）衡算式，可方便地获取较完善的静态前馈算式。

例如，图2-4-2所示的热交换过程，假若忽略热损失，其热平衡关系可表述为：
s s i p H G QC =-)(0θθ （2.4-5）
式中 p C ——物料比热
s H ——蒸汽汽化潜热
Q ——物料量流量。