D1 Di Dn
μ
对 象
前馈控制系统
…
y
前馈控制器
…
过程控制
第二篇
复杂控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
2 静态前馈 定义：保证在系统稳态下补偿扰动作用的前馈称为静态
前馈。即基于稳态不变性原理
当 Di (t ) 0 时， lim y (t ) 0
t
前馈控制器的设计可按简单情况和复杂情况进行
t
（4）选择不变性：对主要扰动不变性
过程控制
第二篇
复杂控制系统
§6-2 前馈控制系统
1 基本概念
2 静态前馈
3 动态前馈
4 前馈——反馈控制系统
过程控制
第二篇
复杂控制系统
1 基本概念
D H
汽包水位控制例
D Gff(s) + Δw Kv Gp(s) Gd(s) H
r
W
Gc1(s)
Gc2(s)
G ff (s) 1+ T ps 1+ T ds e
-(τ d - τ p )s
Gd(s) Gp(s)
扰 动 D
讨论：
-(τd - τp )s （1）Tp=Td，则 Gff (s) e
若 τ d τ p , 动态前馈为纯迟延可实现； 若 τ d τ p , 动态前馈为纯提前不可实现。 由此可得到：在选择调节通道时应选
过程控制
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复杂控制系统
列管换热器控制
θ2r
+ ∑
×
-
D
k
QC
换热器热平衡方程为：
Qcp (2r 1 ) DHs
θT
加热蒸汽
DT
DT
c p 为定压比热容
H s为汽化潜热
θ1 料液
θ2 Q
那么前馈控制器为：
K ff D cp Hs
静态前馈控制器
常数
Q( 2 r 1 ) kQ( 2 r 1 )
U(s)
-
Kpgp (s)e-τds
e-τds
Y(s) - + + +
Kpgp (s)
Gf(S)
-τ d s -τ d s 1 + K g (s)G (s) G (s)K g (s)(1 e ) K g (s)e Y(s) p p f c p p p p = D(s) 1 + K p g p (s)G f (s) G c (s)K p g p (s)
2）前馈控制器的调节规律取决于过程的干扰通道特性和控制通道特性。 准确掌握上述特性是困难的，前馈控制器难以获得；工程上难于实现。 被控过程的非线性，使其动态特性发生变化，原有前馈控制器不再 适用，无法实现干扰的动态完全补偿。
前馈控制往往不能单独使用。
过程控制
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复杂控制系统
4 前馈—反馈控制 前馈控制的优点： 前馈控制的缺点： 反馈控制的优点： 反馈控制的缺点：
过程控制
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复杂控制系统 D Gff(s)
3 动态前馈
Kd -τ d s G (s) = e 若 d 1 + Td s
Gd(s)
Gp(s)
G p (s) =
Kp 1 + Tps
e
-τp s
K d 1 + Tp s -(τ d - τ p )s G ff (s) = e K p 1 + Td s K ff 1 + Tp s 1 + Td s e
Y(s)
D1(s) Di(s) Dn(s)
U(s)
当 Di (t ) 0 时， y(t ) 0 i 1, 2, n
被控对象中的内部扰动（调节量）和外部扰动
工程实际中几种不变性 （1）绝对不变性： 当 Di (t ) 0 时，y(t ) 0
y(t ) （2）误差不变性： 当 Di (t ) 0 时， （3）稳态不变性： 当 Di (t ) 0 时， lim y (t ) 0
-
Gc(s)
Kv
Gp(s) +
不能事先规定调节器的输出
D
Gff(s) Kv
Gd (s)
+y
设计控制器Gff(s)，使 Gff(s) Kv Gp(s)+ Gd (s)=0。
Gp(s) +
则扰动D的变化与输出Y无关。
过程控制
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复杂控制系统
不变性原理：
控制系统的被调量与扰动量绝对无关 或在一定准确度下无关。即：
过程控制
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G f (s) =
-(τ d - τ p )s
静态前馈kff
动态前馈G'ff(s)
过程控制
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复杂控制系统 D Kff
动态前馈G‘ff(s)的图示说明：
扰动D
Gd(s)
Gp(s)
扰动输出
静态前馈控制
系统输出
动态前馈要 消除的面积
调节输出
动态前馈产 生的面积
过程控制
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复杂控制系统 D Gff(s)
动态前馈控制器（补偿器）
使可测扰动对系统没有影响或影响很小； 对系统的稳定性没有影响。 对不可测扰动或不明扰动无法消除影响；
控制器和对象参数变化影响系统的准确性。
任何扰动对系统的影响均可消除；
系统准确性高。
有偏差才控制 不能事先规定调节器的输出
将前馈、反馈控制结合可优势互补，扬长避短
过程控制
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复杂控制系统
4.1前馈-反馈复合控制系统
GB ( s)
GF ( s) G01 ( s)
多个变化频繁且剧烈的干扰影响，同时对被控变量的控制质量和稳定性要求较高
过程控制
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复杂控制系统
5 前馈控制系统---选用原则
1）实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测既不可控性。
2 ）当过程控制通道的时间常数比干扰通道的时间常数大，
且反馈控制不及时而导致控制质量较差时，选用前馈控制。 3）当主要干扰无法用串级控制使其包含在副回路内或者副 回路滞后过大时，选用前馈控制。 4）经济性原则。通常动态前馈控制器的投资高于静态前馈 控制器。若静态前馈控制能够达到工艺要求时，应采用静态 前馈控制。
Gc ( s)G0 ( s) GF ( s) GB ( s)G0 ( s) Y ( s) R( s ) F ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s)
反馈控制 前馈控制
Y ( s) GF ( s) GB ( s)G0 ( s) 0 F ( s) 1 Gc ( s)G0 ( s)
d
整理得史密斯预估器为： Ksgs (s) = Kpgp (s)(1 e-τ s )
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R(s) + -
复杂控制系统
D(s) Gc(S) Y'(s) U(s)
史密斯控制框图
Kpgp (s)e-τds
e-τds
Y(s) - + + +
Kp(s)K p g p (s)e -τds Y(s) = R (s) 1 + G c (s)K p g p (s)e -τd s G c (s)K p g p (s)(1 - e -τd s ) G c (s)K p g p (s)e -τds 1 + G c (s)K p g p (s)
GF (s) GB (s)G0 (s) 0
系统稳定性由反馈控制回路决定。加不加前馈控制器并不影响系统的稳定性。
过程控制
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4.2前馈-串级复合控制系统
* * Gc1 (s)G02 (s)G01 (s) GF (s) GB (s)G02 (s)G01 (s) Y1 (s) R ( s ) F1 (s) * * 1 Gc1 (s)G02 (s)G01 (s) 1 Gc1 (s)G02 (s)G01 (s)
扰 动 D
Gd(s)
Gp(s)
一般对象的纯迟延并不明显，因此 动态前馈常采用
G ff (s) 1+ T 1s 1 + T2s
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复杂控制系统
3、前馈控制系统---特点
1）前馈控制属于开环控制。
----只要系统中各环节是稳定的，控制系统必然稳定。 反馈控制是闭环控制。 ----即使各环节稳定，也不能保证闭环系统稳定。 2）前馈控制是“基于干扰来消除干扰对被控量的影响”。 ----通过前馈控制器的补偿作用及时抑制干扰对被控变量的影响。 反馈控制是“基于偏差来消除偏差”。 ----当干扰引起被控变量产生偏差后才能产生控制作用。 3）前馈控制器的控制规律取决于过程特性，是一个专用控制器。 反馈控制系统中，控制器通常采用P、PI、PD、PID等典型控制策略。
K DTDs TDs + 1
中间反馈控制
微分先行控制
过程控制
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复杂控制系统
2 4 s 某大迟延对象G p ( s) 4s 1 e 不同控制方案仿真结果
方案 PID 微分先行 中间反馈 超调量 0.289 0.162 0.133 调节时间 25min 28min 21min
过程控制
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过程控制
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复杂控制系统
第六章 利用补偿原理提高系统的控制品质
§6-1 概述 §6-2 前馈控制系统 §6-3 大迟延系统
§6-4 非线性增益补偿系统（自学）
过程控制
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复杂控制系统
§6-1 概述
反馈控制原理：按尝试法根据偏差进行控制
D Gd (s) r +
+ y