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。
Gn ( 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
前馈－反馈控制系统 （一） 前馈控制的局限性 前馈控制属于开环控制。故一般不单独使用前馈控制；
完全补偿难以实现。（1）难以准确地掌握过程扰动通 道和控制通道Gn(s) 和G(s)的特性。有些过程对象常含有非 线性特性，在不同的工况下，动态性能参数将变化，单一 的前馈模型难以适应。（2）有些前馈模型Dn(s)难以实现， 只能用计算机完成。（3）一个扰动需要一个测量变送装 置，干扰多时，造成控制系统庞大。
第六章 常规控制技术（二） 6.4 前馈反馈控制技术
6.4.1 反馈控制和前馈控制的特点 6.4.2 不变性原理与前馈控制器
6.4.3 前馈控制的几种结构形式
前馈反馈控制
前面各部分讨论的控制系统，都是带有反馈的闭环系 统。当被控系统受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差，
控制器才有动作，以补偿扰动对控制参数的影响。
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。
作用，而对系统中的其它扰动无校正作用。
前馈控制器的控制律有时较复杂。
6.4.2 不变性原理与前馈控制器设计--不变性原理
1、不变性原理：控制系统的被控量与扰动量完全无关， 或在一定的准确度下无关。
任何一个系统，总是希望被控量受扰动的影响越小 越好。如图： f(t) y(t)
被控对象 扰动 被控量
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
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
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
6.4.3 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 )
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]
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。
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
前馈控制器的典型结构
图中，Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数；Dn(s)是前馈
控制器的传递函数；G(s)被控对象的传递函数。n为可测不 可控的干扰；y为被控参数；假定u1＝0，有：
Y (s) Y1 (s) Y2 (s) [ Dn (s)G(s) Gn (s)]N (s) 整理得：Y ( s) Dn ( s)G ( s) Gn ( s) N ( s)
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）
• 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
Hale Waihona Puke 2广义被控对象流量传感器 q q
热交换器
2
q u ft kv 2