独立，难以或不允许通过专门的控制回路予以控 实现前馈控制的必要条件：
1. 扰动可测但是不可控； 2. 变化频繁且变化比较快的扰动； 3. 扰动影响显著，反馈控制难以及时克服，且 过程对控制精度要求又十分严格的情况
例如 ：加热炉温度系统，扰动量被加热物料的流量和初始温度与燃料
热值的变化、压力、流量的变化，符合不可控性，可采用前馈控制。
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前馈控制的基本概念
前馈控制的局限性
1）完全补偿难以满足，因为：
* 要准确掌握过程扰动通道特性Wf(s)及控制 通道特性Wo(s)是不容易的； * 即使前馈模型Wm(s)能准确求出，有时工程 上也难以实现； * 对每一个扰动至少使用一套测量变送仪表和一个 前馈控制器，这将会使控制系统庞大而复杂。 2）只能克服可测不可控的扰动
进料流量 反馈主控制器
反馈副控制器
说明：系统中副调节器为 流量调节器FC， 前馈控制器FFC采 用动态前馈模型。
前馈控制器
燃料油流量
加热炉出口温度前馈-串级控制系统
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Process Control System
前馈控制的几种结构形式
前馈-串级复合控制系统框图
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Process Control System F
Wm(s)
前馈控制的基本概念
前馈控制原理
W0(s)
Wf(s)
Y
原理：根据不变性原理，即被控变量与干扰 量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立。 推导： Y(S)/F(S)=Wf(S)+Wm(S)Wo(s)=0 所以Wm(s)= - Wf(S)/Wo(s) 前馈控制器= - 干扰通道对象特性/控制通道对象特性 负号：表示控制通道与干扰通道作用相反。 前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道 对象特性决定 。
Wm ( s)
W f ( s) W01 ( s)Y2 ( s) / X 2 ( s)
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Process Control System
前馈控制的稳定性
对系统中每一个组成环节的稳定性程度都必须 予以足够的重视。 对于无自衡能力的生产过程，通常不能单独使
令Y(s)/F(s)=0即可。
② 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性
前馈--反馈控制的优点
① 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯
前馈控制系统； ② 降低了对前馈控制精度的要求，对工况变动引起的对象
非线性特性参数的变化具有一定自适应能力；
③ 比纯反馈控制具有控制精度高、稳定速度快的特点。
扰动量为烟囱挡板位臵的变化将影响炉膛传递函数，即影响控制 通道的传递函数，即会影响W0(s)，因而不能采用前馈控制。
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前馈控制系统的工业应用举例
冷凝器温度 前馈-反馈复合控制系统
蒸汽 qs
P
FT
冷 凝 器 冷却水
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前馈控制的几种结构形式
简化框图
Wm(s) F1
Wf(s) X1 Wc1(s) X2 Y2(s)/X2(s) Y2 W01(s) Y1
Y1 (s) W f (s) Wm (s)W01 (s)Y2 (s) / X 2 (s) F1 (s) 1 Wc1 (s)W01 (s)Y2 (s) / X 2 (s)
第五章 前馈及复合控制系统
Process Control System
本章主要内容
1、 前馈控制的基本概念(*) 2 、前馈控制系统的几种结构形式(*)
3 、前馈控制系统的稳定性(*)
4、 前馈控制的选用原则
5 、前馈控制系统工业应用举例
6、前馈控制系统的工程整定
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Process Control System
前馈控制的几种结构形式
1. 静态前馈控制系统：
控制器采用比例控制，是前馈模型中最简单的形式。 令前馈控制器传函满足下式即可：
Wm ( s) K m
Kf Ko
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前馈控制原理：利用对扰动信号的采样，预估被控量的变 化而提前产生控制输出，以抑制被控量的变化，达到使被 控量稳定的目的。 特征：以扰动作为控制环节的输入信号，属于开环控制。
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前馈控制的基本概念
二、前馈控制的特点 ：
Y ( s) W f ( s) Wm ( s)W o( s) F ( s) 1 Wc ( s)Wo ( s)
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前馈控制的几种结构形式
分析得到： ① 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。
Y ( s) W f ( s) Wm ( s)W o( s) F ( s) 1 Wc ( s)Wo ( s)
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前馈控制的基本概念
复习
蒸汽压力、流量 蒸汽 热流体温度给定
TC
20
pD , qD
TT
1 冷流体温度
被加热物料 流量 q 热流体温度
2
q
冷凝液
反馈控制的特点 ：
• • • • • 基于偏差来消除偏差； “不及时”的控制 ； 存在稳定性问题； 对各种扰动均有校正作用； 控制规律通常是P、PI、PD或PID等典型规律
qs Wm(s) Wc(s)
-
Wf(s) W0(s) T
温水T
T TT T0 TC
T0
+
+ +
系统框图
FFC
工艺：从汽轮机出来的蒸汽经冷凝器以后，变成温水，再由循环泵送至
除氧器，经过除氧处理后的温水，可继续作为发电锅炉的给水。
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Process Control System
前馈控制的基本概念
一、前馈控制的引入与原理
PID控制是以偏差为输入量进行调节，当扰动输入出 现时，首先引起偏差产生，控制器才开始动作。即控制输 出有延迟，若能对干扰信号进行采样，预估其作用，提前 产生控制输出，则能减少延迟，提高控制性能。这就是前 馈控制。
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前馈控制的几种结构形式
两者区别：
静态前馈控制只能有效抑制静态偏差；动态前馈控制 不但有效抑制静态偏差；而且能有效抑制动态偏差。 动态前馈的实现基于不变性原理；其中Wm(s)非纯比 例环节。 动态前馈控制方案虽能显著地提高系统的控制品质， 但结构往往比较复杂；需要专门的控制装臵,系统运行、
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前馈控制的几种结构形式
2. 动态前馈控制系统
动态前馈与静态前馈从控制系统的结构上 看是一样的，只是前馈控制器的控制规律不同。 动态前馈要求控制器的输出不仅仅是干扰量的
函数，而且也是时间的函数。要求前馈控制器
的校正作用使被控变量的静态和动态误差都接 近或等于零。
前馈控制的基本概念
前馈控制与反馈控制比较
干扰 设定 反馈控制器 执行器 对象 干扰 被控变量 前馈控制器 测量变送 被控变量 测量变送 执行器 对象
• 前馈控制比反馈控制及时有效 • 前馈控制属于开环控制系统，反馈控制是闭环控制系统 • 前馈控制使用的实施对象特性而定的专用控制器，反馈控制采 用通用PID控制器
因而是前馈控制中广泛应用的控制系统
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前馈控制的几种结构形式
4. 前馈--串级控制系统 方法的提出
当生产过程受到多个变化频繁而又剧烈的扰动影响且对控制精 度和稳定性要求又很高时，采用前馈-串级控制系统。
出口温度
整定也比较复杂；
只有当工艺上对控制精度要求很高，其它控制方案难 以满足、且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才
考虑使用动态前馈方案。
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前馈控制的几种结构形式
3、前馈-反馈复合控制系统
特点：吸收前馈与反馈控制的优点，即前馈控制作用及时
前馈控制系统的工业应用举例
冷凝器温度前馈-反馈复合控制系统：
(1) 冷凝设备的主要被控量是冷凝液的温度，控制
量是冷却水的流量。 (2) 系统采用前馈-反馈控制方式，利用蒸汽和被冷 却后的温水温度信号控制冷却水的阀门开度。 (3) 蒸汽流量是可测不可控且经常变化的扰动因
素，对蒸汽的流量进行前馈控制，使冷却水流 量跟随蒸汽流量的变化而提前变化。
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前馈控制的几种结构形式
单回路前馈-反馈复合控制系统
F Wm(s) X
+ 前馈信号接在反馈控制器之后
Wm(s)
Wc(s)
F Wf(s) W0(s) Y
Wf(s) W0(s) Y X
+ + -
Wc(s)
Wc(s)
前馈信号接在反馈控制器之前
上图所示前馈-反馈控制系统，对于图1可知， 在扰动F(s)的作用下，系统输出为： Y(s)=Wf(s)F(s)+Wm(s)W0(s)F(s)-Wc(s)W0(s)Y(s) 输出对扰动F(s)的传递函数：