1、 反馈控制广泛应用于流程工业，它具有通用性强、鲁棒性好、可克服所有干扰、无需建立对象模型等特点。但反馈控制也存在着一些不足之处。1.反馈控制只有在被控变量产生偏差以后才能产生校正作用，因此它不能实现被控变量完全不受干扰影响的理想控制。2.反馈控制不能提供预测的功能，无法补偿已知的或可以测量的干扰的影响。3.当被控变量不能在线测量时，反馈控制是无法采用的。对于那些采用反馈控制无法获得满意效果且干扰可在线测量的过程，加入前馈控制往往能显著改善控制品质。所谓所谓“鲁棒性鲁棒性”，是指控制系统在一定（结构，大小）的，是指控制系统在一定（结构，大小）的参数摄动下，维持某些性能的特性。参数摄动下，维持某些
2、性能的特性。4.1.1 前馈控制系统的基本概念前馈控制系统的基本概念 到目前为止，所讨论的控制系统（单回路）是有到目前为止，所讨论的控制系统（单回路）是有反馈的闭环反馈的闭环控制控制系统。系统。1 1）其特点是）其特点是：当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差时，控制器才当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数出现偏差时，控制器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响。动作，以补偿扰动对被控参数的影响。2 2）被控参数产生偏差的原因）被控参数产生偏差的原因由于扰动的存在。由于扰动的存在。3 3）设想：）设想：倘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倘若能在扰动出现时就进行控制，
3、而不是等到偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。控制，这样的控制方案一定可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。前馈控制正是基于这种思路提出来的。前馈控制正是基于这种思路提出来的。在过程控制领域中，在过程控制领域中，前馈前馈和和反馈反馈是两类并列的控制方式，为了分是两类并列的控制方式，为了分析前馈控制的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。析前馈控制的基本原理，首先回顾一下反馈控制的特点。4.1 前馈控制系统采用单回路控制：被控参数：热流体出口温度2控制参数：蒸汽流量qD干扰因素：被加热物料流量q，入口温度1 蒸汽压力pD系统分析：当扰动（如被加热的物料流
4、量q，入口温度1或蒸汽压力pD等的变化）发生后，将引起热流体出口温度2发生变化，使其偏离给定值20，随之温度调节器按照被控量偏差值（e=20-2）的大小和方向产生控制作用，通过调节阀的动作改变加热用蒸汽的流量qD，从而补偿扰动对被控量2的影响。图41 换热器温度反馈控制系统1 1 反馈控制的特点反馈控制的特点 图图4 41 1为换热器温度控制系统原理框图。图中为换热器温度控制系统原理框图。图中:2 2为热流体温度；为热流体温度；1 1为冷流体温度；为冷流体温度；q q为流体流量；为流体流量；q qD D为蒸汽流量为蒸汽流量;p pD D为蒸汽压力为蒸汽压力;TT;TT为温度测量变送器为温度测量
5、变送器;2020为热流体温度给定值为热流体温度给定值;TCTC为温度调节器为温度调节器;K;Kv v为温度调节阀门。为温度调节阀门。由此可归纳出反馈控制的特点如下：由此可归纳出反馈控制的特点如下：(1(1）反馈控制的本质是）反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差基于偏差来消除偏差”。(2(2）无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后，调节器无论扰动发生在哪里，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“不及时不及时”的控制。的控制。(3(3）反馈控制系统，因构成反馈控制系统，因构成闭环闭
6、环，故而存在一个稳定性的问题。即使组，故而存在一个稳定性的问题。即使组成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作成闭环系统的每一个环节都是稳定的，闭环系统是否稳定，仍然需要作进一步的分析。进一步的分析。(4(4）引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭环内，故反馈控制可消除多种扰动可消除多种扰动对被控量的影响。对被控量的影响。(5(5）反馈控制系统中，调节器的反馈控制系统中，调节器的控制规律控制规律通常是通常是P P、PIPI、PDPD、PIDPID等典型等典型规律。规律。前馈控制（简称FFC），又称干扰补偿，它与
7、反馈控制完全不同，是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的。在这种控制系统中，当干扰刚刚出现而又能测出时，调节器便发出调节信号使调节参数作相应的变化，使两者相互抵消于被控参数发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。2 2 前馈控制的原理与特点：前馈控制的原理与特点：对图41所示的换热器，采用如图42所示的前馈控制系统。假设换热器的物料流量q是影响被控量Q2的主要扰动，此时q变化频繁，变化幅值大，且对出口温度Q2的影响最为显著。为此，采用前馈控制方式：即通过流量变送器测量物料流量q，并将流量变送器的输出信号送到前馈补偿器，前馈补偿器根据其输入信号，按照一定的运算规律操作调节阀门，
8、从而改变加热用蒸汽流量qD，以补偿物料流量q对被控温度的影响。？图4-2 换热器前馈控制示意图qD（1 1）前馈控制的理论基础）前馈控制的理论基础(不变性原理不变性原理)前馈控制的基本原理是：测量进入过程的干扰量(包括外界干扰和设定值变化)，并根据干扰的测量值产生合适的控制作用来改变控制量，使被控制变量维持在设定值上。不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。不变性原理或称扰动补偿原理是前馈控制的理论基础。“不变性不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。对于任何一个系统，总是希望被控变量受扰动的影响越小越好。然而进入控制系统中的
9、扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控量的这种影响。消除扰动对被控量的这种影响。不变性定义为 当f(t)0时，y(t)0 (41)即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。一般情况下存在着以下几种类型的不变性。绝对不变性 所谓绝对不变性是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变，即控制过程的动态和静态偏差均为零。如图4-3所示。所以,若适当选择前馈控制器的传递函数GB(s)，可以做到F(s)对Y(s)不产生任何影响，即实现完全的不变性。y1y=y1+y
10、2y2f(t)t图4-3 扰动补偿原理 误差不变性 误差不变性又称为(epsilon)不变性，是指在扰动f(t)的作用下，被控变量y(t)的波动小于一个很小的值，即|y(t)|(4一2)误差不变性在工程上具有现实意义。对于大量工程上应用的前馈或前馈一反馈控制系统，由于实际补偿的模型与理想的补偿模型之间存在误差，以及测量变送装置精度的限制，通常难以实现绝对不变性控制。因此，总是按照工艺上的要求提出一个允许的偏差值，依此进行误差不变性系统设计。这种误差不变性系统由于满足工程领域的实际要求，获得了迅速的发展和广泛的应用。稳态不变性 稳态不变性是指系统在稳态工况下被控变量与扰动无关。即系统在扰动f(t
11、)作用下，稳态时被控变量y(t)的偏差为零，即 当f(t)0时，(43)静态前馈系统就属于这种稳态不变性系统，工程上常将不变性与稳态不变性结合起来这样构成的系统既能消除静态偏差，又能满足工艺上对动态偏差的要求。选择不变性 被控变量往往受到若干个干扰的影响，若系统对其中几个主要的干扰实现不变性补偿，就称为选择不变性。基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实际基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实际上是根据不变性原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统。上是根据不变性原理对干扰进行补偿的一种开环控制系统。0)(limtyt1.反馈控制的特点：（1）反馈控制本质基于偏差来消
12、除偏差 （2）不及时控制 （3）闭环 （4）可消除多种扰动对被控量的影响 （5）控制器的控制规律是P、PI、PID等2.前馈控制的理论基础不变性原理“不变性”是指控制系统的被控变量不受扰动变量变化的影响。当f(t)0时，y(t)0 即被控变量y(t)与扰动f(t)无关。（1）绝对不变性（2）误差不变性（3）稳态不变性（4）选择不变性(2)(2)前馈控制器前馈控制器 前馈控制器的设计依据不变性原理。作为一个前馈控制系统，在扰动发生后，必将经过过程的扰动通道引起被控量的变化，与此同时，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，以抵消扰动对被控量的影响。图
13、4-4前馈控制系统的一般框图 前馈控制系统框图如图44所示。图中，GB(s)为前馈控制器，传递函数GF(s)为过程扰动通道传递函数；GO(s)为过程控制通道传递函数；F(s)为系统可测不可控扰动；Y(s)为被控参数。这里假设测量变送环节以及控制阀的传递函数都为1。由图可知）（4-4)()()()()()(sFsGsGsFsGsYoBF）（故5-4)()()()()(sGsGsGsFsYoBF）（前馈控制器模型为可得要使6-4)()()(,0)()(sGsGsGsFsYoFB 由上式可知，理想前馈控制器的控制作用是干扰通道的传递函数与控制通道传递函数之比，式中负号表示前馈控制作用的方向与干扰作用
14、的方向相反。显然，要得到完全补偿，不确切知道通道的特性是不行的。而且，对于不同的通道特性就有相应的前馈控制作用。图4-3表示了这种全补偿过程。在f(t)阶跃变化下，y1(t)和y2(t)的响应曲线方向相反，幅值相同。所以它们的叠加结果使y(t)达到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是反馈控制做不到的，因为反馈控制系统是按被控变量与设定值之间的偏差动作的。在干扰作用下，被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的矛盾。由此，可将前馈控制器的特点归纳如下由此，可将前馈控制器的
15、特点归纳如下（重点）（重点）：(l)前馈控制器是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，故前馈控制又称为“扰动补偿”。(2)前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时 前馈控制是针对干扰作用进行控制的。当干扰一出现，前馈控制器就根据检测到的干扰，按一定规律进行控制。从理论上说，当干扰发生后，被控变量还未发生变化，前馈控制器就产生了控制作用把偏差彻底消除。因此前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时得多，这也是前馈控制的一个主要优点。表41是前馈控制与反馈控制的比较。(3)只适合用来克服可测而不可控的扰动，而对系统中的其它扰动无抑制作用。如果干扰是不可测的，那就不能进行前馈控制；如果干扰是可测且可控的，
16、则只要设计一个定值控制系统就行了，而无需采用前馈控制。(4)前馈控制属于开环控制系统 反馈控制系统是一个闭环控制系统，而前馈控制是一个开环控制系统。前馈控制器根据干扰产生控制作用对被控变量进行影响，而被控变量并不会反过来影响前馈控制器的输入信号(扰动量)。从某种意义上来讲，前馈控制系统是开环控制系统这一点是前馈控制的不足之处。由于前馈控制不存在闭环，因而前馈控制的效果无法通过反馈加以检验。因此采用前馈控制时，对被控对象的了解必须比采用反馈控制时清楚得多，才能得到比较合适的前馈控制作用。(5)前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用”控制器 一般的反馈控制系统均采用通用的PID控制器，而前馈控制器
17、是专用控制器。对于不同的对象特性，前馈控制器的形式将是不同的。4.1.24.1.2前馈控制的局限性前馈控制的局限性 由前馈控制的原理、特点可看出，前馈控制虽然对可测不可控的扰动有很好的抑制作用，但同时亦存在着很大的局限性，主要有：1 完全补偿难以实现 前馈控制只有在实现完全补偿的前提下，才能使系统得到良好的动态品质，但完全补偿几乎是难以作到的，因为：(1)要准确地掌握过程扰动通道特性 GF(s)及控制通道特性 GO(s)是不容易的。故而前馈模型GB(s)难以准确获得。(2)即使前馈模型GB(s)能准确求出，有时工程上也难以实现（必须采用计算机）。2 只能克服可测不可控的扰动。实际的生产过程中，
18、往往同时存在着若干个干扰。如上述换热器温度系统中，物料流量q、物料入口温度Q1、蒸汽压力pD等的变化均将引起出口温度Q2的变化。如果要对每一种扰动都实行前馈控制，就是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，这将使系统庞大而复杂，从而将增加自动化设备的投资。另外，尚有一些扰动量至今无法对其实现在线测量。而若仅对某些可测扰动进行前馈控制，则无法消除其它扰动对被控参数的影响，这些因素均限制了前馈控制的应用范围。鉴于以上原因，为了获得满意的控制效果，合理的控制方案是把前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统（FFC-FBC）。它的优点：(1)利用前馈控制有效地减少干扰对被控参
19、数的动态影响；(2)利用反馈控制使被控参数稳定在给定值上，从而保证了系统较高的控制质量。4.1.34.1.3 前馈控制系统的几种结构形式前馈控制系统的几种结构形式 1静态前馈控制系统 式（4-6）求得的前馈控制器，考虑了两个通道的动态特性，是一种动态前馈控制器。它追求的目标是被控变量的绝对不变性。而在实际生产过程中，通常并没有如此高的要求，有时只需要在稳态下实现对扰动的补偿。令式(46)中的s为0，就可得到静态前馈控制算式 GB(0)=-GF(0)/Go(0)=-KB（1)1)定义：定义：所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的调节规律为比例特性，即，GB(0)=-GF(0)/Go(0)=-KB，其
20、大小是根据过程干扰通道的静态放大系数和过程控制通道的静态放大系数决定的。）（6-4)()()(sGsGsGoFB（2 2）应用场合：）应用场合：在实际生产过程中，当过程干扰通道与控制通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制，可获得较高的控制精度。（3)3)静态前馈控制的控制目标静态前馈控制的控制目标:使被控参数最终的静态偏差接近或等于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同而引起的动态偏差。（4)4)实现措施：实现措施：静态前馈控制非常简单，不需要专用控制器，只要用DDZ仪表中的比例调节器或比值器就能满足使用要求。在有条件列写过程静态方程时，也可按方程式来实现静态前馈。例如：在图4-2所示的换热
21、器前馈控制中，若冷物料流量为主要干扰时，要实现静态前馈控制，可按稳态时能量平衡关系(忽略热损失）写出其平衡方程，即 Q0H0=QfCp(T2-T1)（47）（加热用蒸汽单位时间内所放出的汽化潜热等于被加热物料在单位时间内所带走的热量)式中 Q0为加热蒸汽量；H0为蒸汽汽化潜热；Qf为冷物料流量；Cp为冷物料的比热；T1、T2分别为冷、热物料温度。由式(47)可得)84(0012pfCQHQTT图4-2 换热器前馈控制示意图QfQ0如果冷物料温度如果冷物料温度T T1 1不变，由式不变，由式(4-8)(4-8)可求得控制通道的静态放大系数可求得控制通道的静态放大系数而干扰通道的静态放大系数而干扰
22、通道的静态放大系数 所以有所以有式（式（4 49 9）就是换热器静态前馈控制方案中前馈控制器的静态特性。）就是换热器静态前馈控制方案中前馈控制器的静态特性。可见，用可见，用比例调节器比例调节器即可实现。即可实现。pfCQHdQdTK0020ffpffQTTQCHQdQdTK122002)94()(12opofBHTTCKKK)84(0012pfCQHQTT 2 2动态前馈控制系统动态前馈控制系统(1)适用条件：静态前馈控制是为了保证被控参数的静态偏差接近或等于零，而不能保证被控参数的动态偏差接近或等于零。当需要严格控制动态偏差时，则要采用动态前馈控制。(2）实现：动态前馈控制的实现基于绝对不变
23、性原理，必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性，采用专用控制器，即 GB(s)=-GF(s)/Go(s)而GF(s)和Go(s)的精确模型是很难得到的，即使能够得到也是难以实现的。(3）应用场合：动态前馈控制系统的结构比较复杂，只有当工艺要求控制质量很高、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，才考虑采用动态前馈控制方案。3 3前馈一反馈复合控制系统前馈一反馈复合控制系统 在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因前馈控制系统仍然会存在偏差。实际的工业对象会存在多个扰动，若都设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用和维护工作量。因而一般仅选择几个主
24、要干扰加以前馈控制。这样设计的前馈控制器对其他干扰是没有丝毫校正作用的。受前馈控制模型精度的限制。用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算式中包含有纯超前环节(es)或纯微分环节(Tds+1)时，它们在物理上是不能实现的。因此构建的前馈控制器只能是近似的。前馈控制系统中，不存在被控变量的反馈，即对补偿的效果没有检验的手段。因此，如果控制的结果无法消除被控变量的偏差，系统将无法做进一步的校正。为了解决前馈控制的这一局限性，在工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈一反馈控制系统。这样既发挥了前馈作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动以及对被控变量进行检
25、验的长处，是一种适合过程控制的好方法。换热器的前馈一反馈控制系统及其方框图分别表示在图4-5a和图4-5b中。这里假设两个测量变送环节的传递函数都为1，控制阀的传递函数也为1，由图可见，当冷物料(生产负荷)发生变化时，前馈控制器及时发出控制指令，补偿冷物料流量变化对换热器出口温度的影响；同时，对于未引入前馈的冷物料的温度、蒸汽压力等扰动对出口温度的影响，则由PID反馈控制器来克服。前馈作用加反馈作用，使得换热器的出口温度稳定在给定值上，获得了比较理想的控制效果。图4-5a换热器前馈-反馈控制系统示意图图4-5b换热器前馈-反馈控制系统框图在前馈一反馈复合控制系统中，输入在前馈一反馈复合控制系统
26、中，输入X(s)X(s)、F(s)F(s)对输出的共同影响为对输出的共同影响为如果要实现对干扰如果要实现对干扰F(s)F(s)的完全补偿，则上式的第二项应为零，即的完全补偿，则上式的第二项应为零，即 )()()(1)()()()()()(1)()()(sFsGsGsGsGsGsXsGsGsGsGsYocoBFococ)(/)()(0)()()(sGsGsGsGsGsGoFBoBF或(4-10)结论：结论：(1）前馈反馈复合控制系统对干扰F(s)实现完全补偿的条件与开环前馈控制相同。所不同的是：干扰F(s)对输出的影响要比开环前馈控制的情况下小1+Gc(s)Go(s)倍。这是由于反馈控制起作用的
27、结果。这就表明，本来经过开环补偿以后输出的变化已经不太大了，再经过反馈控制进一步减小了1+Gc(s)Go(s)倍，从而充分体现了前馈一反馈复合控制的优越性。(2)前馈一反馈控制系统具有以下优点：从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了反馈控制的负担。(3）由式(410)可知，复合控制系统的待征方程式为 1+Gc(s)Go(s)=0 (4-11)这一特征方程式只和Gc(s)、Go(s)有关，而与GB(s)无关，即与前馈控制器无关。这就说明:加不加前馈控制器并
28、不影响系统的稳定性。稳定性完全由闭环控制回路来确定。这就给设计工作带来很大的方便。（4）在设计复合控制系统时，可以：先根据闭环控制系统的设计方法进行，可暂不考虑前馈控制器的作用，使系统满足一定的稳定储备要求和一定的过渡过程品质要求。当闭环系统确定以后，再根据不变性原理设计前馈控制器，进一步消除干扰对输出的影响。4.1.44.1.4 前馈控制系统的选用原则前馈控制系统的选用原则 (1)(1)当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰时，当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰时，反馈反馈控制难以克服此类干扰对被控参数的显著影响，而工艺生产对被控参控制难以克服此类干扰对被控参数的
29、显著影响，而工艺生产对被控参数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制品质，可以引入前数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制品质，可以引入前馈控制。馈控制。干扰变化的幅值越大，干扰变化的幅值越大，对被控量的影响越大，偏差也越大，这时对被控量的影响越大，偏差也越大，这时用按干扰的前馈控制显然比反馈控制有利。用按干扰的前馈控制显然比反馈控制有利。由于高频干扰对被控量的影响由于高频干扰对被控量的影响十分显著，尤其是对于滞后较小的十分显著，尤其是对于滞后较小的流量对象，会使系统产生持续的振荡现象。此时，若采用前馈控制，流量对象，会使系统产生持续的振荡现象。此时，若采用前馈控制，则该干扰可得到同
30、步的前馈补偿，因而可获得较满意的控制品质。则该干扰可得到同步的前馈补偿，因而可获得较满意的控制品质。例如，在锅炉汽包水位控制中，蒸汽用量就是一个可测不可控的干扰，为了使汽包水位的变化控制在工艺规定的范围内，通常以蒸汽量为前馈信号，与水位和给水量构成前馈一反馈复合控制系统。前馈-反馈复合控制系统：被控参数：汽包水位控制参数：给水量前馈信号：蒸汽流量图4-9 锅炉汽包水位前馈-反馈复合控制系统 (2)(2)当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通道的时间常数大，当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通道的时间常数大，反馈控制又不及时，控制质量差，此时可以选用前馈控制，以提高反馈控制又不及时，控
31、制质量差，此时可以选用前馈控制，以提高控制质量。控制质量。(3)(3)经济性原则经济性原则 通常动态前馈的投资高于静态前馈。所以，若通常动态前馈的投资高于静态前馈。所以，若静态前馈能够达到工艺要求时，就选用静态前馈而不选用动态前馈。静态前馈能够达到工艺要求时，就选用静态前馈而不选用动态前馈。（4 4）动态、静态前馈的选用：）动态、静态前馈的选用：当被控参数的控制通道与被前馈的扰动通道的时间常数比较接近时，当被控参数的控制通道与被前馈的扰动通道的时间常数比较接近时，选用静态前馈方案，可得到满意的控制效果。选用静态前馈方案，可得到满意的控制效果。在使用计算机控制时，动态前馈的实现会带来更好的控制品
32、质。在使用计算机控制时，动态前馈的实现会带来更好的控制品质。4.1.5 4.1.5 前馈控制系统的设计前馈控制系统的设计 前馈控制系统的设计大都基于不变性原理，即Y(s)/F(s)=0；不变性是通过系统中的校正装置对控制参数实行校正来实现的。在设计中，以控制系统的品质指标为依据，应包括系统控制方案设计及系统参数整定两个部分。（1 1）方案设计：）方案设计：前馈控制规律设计系统稳定性设计其他（a）当T0 Tf时，可采用动态前馈-反馈控制来改善控制品质。在前馈控制系统设计中，前馈调节器的控制规律完全取决于过程扰动通道与控制通道的数学模型。求取前馈调节器的控制规律，实质上就是求取过程控制通道和扰动通
33、道的数学模型。确定了GF(s)和G0(s)后，通过合理分析T0、Tf及0、f的关系来合理选择调节规律。1）前馈控制规律)()()(sGsGsGoFB2）前馈控制系统的稳定性（a）在前馈控制系统中，当过程控制通道和扰动通道均具有自平衡特性时，则构成的前馈系统一定是一个稳定的系统。（b）对于非自平衡过程，通常不能仅用前馈，而应设计前馈-反馈控制系统，若反馈系统是稳定的，则相应的前馈-反馈控制系统也是稳定的。（c）必须考虑物料平衡关系；参数匹配问题等。（2）前馈控制系统的整定 整定原则：反馈回路和前馈回路分别整定，整定反馈回路时应具有一定的稳定裕量，而不考虑前馈部分，整定前馈装置时，不考虑反馈引起的
34、稳定性问题。（整定方法从略）4.1.6 4.1.6 前馈控制系统工业应用实例前馈控制系统工业应用实例 根据不变性原理设计的前馈控制已广泛应用于石油、化工、电力、原子能等各工业生产部门。但在实际工业生产过程中，大多数采用前馈一反馈复合控制系统，下面举几个工业应用实例。(1)(1)葡萄糖浓度前馈一反馈控制系统葡萄糖浓度前馈一反馈控制系统 蒸发是一个借加热作用使溶液浓缩或使溶质析出的物理操作过程。它在轻工、化工等生产过程中得到广泛的应用。例如:造纸、制糖、海水淡化、烧碱等生产过程，都必须经过蒸发操作过程。下面以葡萄糖生产过程中蒸发器浓度控制为例，介绍前馈控制在蒸发过程中的运用。1)1)工艺工艺简介简
35、介:图图4-104-10所示装置是将初蒸浓度为所示装置是将初蒸浓度为5050的葡萄糖液，用泵送入升降膜的葡萄糖液，用泵送入升降膜式蒸发器，经蒸汽加热蒸发至式蒸发器，经蒸汽加热蒸发至7373的葡萄糖液，然后送至后道工序结晶。的葡萄糖液，然后送至后道工序结晶。由蒸发工艺可知，在给定压力下，溶液的浓度同溶液的沸点与水的沸点由蒸发工艺可知，在给定压力下，溶液的浓度同溶液的沸点与水的沸点之差之差(即温差即温差)有较好的单值对应关系，故以有较好的单值对应关系，故以温差为被控参数温差为被控参数。2)2)影响葡萄糖浓度的因素主要有影响葡萄糖浓度的因素主要有:进料溶液的浓度、温度和流量，进料溶液的浓度、温度和流
36、量，加热蒸汽的压力和流量等，其中：加热蒸汽的压力和流量等，其中：对浓度影响最大的对浓度影响最大的:进料溶液的流量和进料溶液的流量和 加热蒸汽的流量。加热蒸汽的流量。3)3)系统构成系统构成:以以加热蒸汽流量为前馈信号加热蒸汽流量为前馈信号、以以温差为被控参数温差为被控参数、进料溶液为控制参数进料溶液为控制参数的的前馈一反馈控制系统，如图前馈一反馈控制系统，如图4-104-10所示。所示。运行情况表明，系统的质量指标比较令运行情况表明，系统的质量指标比较令人满意，达到了工艺要求。人满意，达到了工艺要求。前馈反馈复合控制系统：被控参数：温差控制参数：进料溶液流量前馈信号：加热蒸汽流量图4-10 蒸
37、发过程中浓度控制示意图(2)(2)锅炉给水控制系统锅炉给水控制系统 锅炉是现代工业生产中的重要动力设备。在锅炉的正常运行锅炉是现代工业生产中的重要动力设备。在锅炉的正常运行中，中，汽包水位汽包水位是其主要工艺指标。是其主要工艺指标。v 当当汽包水位过高汽包水位过高时，会造成蒸汽带液，其结果不仅降低了蒸汽时，会造成蒸汽带液，其结果不仅降低了蒸汽的产量和质量，而且会损坏汽轮机叶片；的产量和质量，而且会损坏汽轮机叶片；v 当当水位过低水位过低时，轻则影响汽水平衡，时，轻则影响汽水平衡，重则会烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。重则会烧干锅炉，甚至会引起锅炉爆炸。所以必须严格控制水位在规定的工艺范围内。所以
38、必须严格控制水位在规定的工艺范围内。图4-11 锅炉汽包水位控制系统 如图4-11所示，锅炉汽包水位控制的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，并保持其在规定的工艺范围内。因此，汽包水位是被控参数，而引起汽包水位变化的主要干扰是锅炉的蒸汽流量和给水流量。蒸汽流量是负荷，随发电需要而变化，为不可控因素，给水流量则可以作为控制参数，以此构成锅炉给水控制系统。但由于锅炉汽包中存在“虚假水位“，故简单控制系统不能满足工艺要求。所谓“虚假水位”，即在燃料量不变的情况下，当蒸汽用量(即负荷)突然增加时，会使汽包内的压力突然降低，水的沸腾加剧，加速汽化，汽泡量也突然增加，由于汽泡的体积比水的体积大很多倍，结果形成
39、了汽包内水位升高的假象。反之，当蒸汽用量突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧上升，水的沸腾暂时停止，结果造成水位瞬时下降的假象。图4-11 锅炉汽包水位控制系统前馈反馈复合控制系统：被控参数：锅炉汽包水位前馈信号：蒸汽流量控制参数：给水流量 对于对于“虚假水位虚假水位”，在系统设计时常作如下考虑，即采用蒸汽，在系统设计时常作如下考虑，即采用蒸汽流量为前馈信号，汽包水位为被控参数和给水流量为控制参数，构成流量为前馈信号，汽包水位为被控参数和给水流量为控制参数，构成前馈一反馈复合控制系统，如图前馈一反馈复合控制系统，如图4 41212所示。所示。本系统能实现对蒸汽负荷的前馈控制，在稳定工况下，给水量Q将
40、等于蒸汽量D的变化，从而维持了水位H的不变。D图4-12 锅炉汽包水位前馈-反馈复合控制系统（3 3）连续消毒塔温度前馈一反馈控制系统）连续消毒塔温度前馈一反馈控制系统 在制药工业中，抗菌素的生产，目前仍然采用培养基发酵的方法进行。在培养基进入发酵罐接种之前，必须进行灭菌消毒。目前，都是利用连续消毒塔进行消毒的，连续消毒塔的主要指标是培养基连续消毒塔的温度。若温度过低，会因培养基灭菌不彻底而增加染菌率，导致整批培养基全部报废，带来重大经济损失。反之，若温度过高，则会破坏培养基的成分，从而降低了产品的回收率。所以，培养基在连续消毒塔的出口温度是保证抗菌素质量的关键指标，为此必须对它进行控制，通常
41、要求控制精度为(1282)。可选择连续消毒塔的出口温度为被控参数，选用培养基的流量作为调节参数，构成单回路控制系统。但是，当蒸汽压力波动较大时，温度波动幅度超过了工艺允许范围。影响消毒塔出口温度的主要扰动是蒸汽压力，而蒸汽压力是一个可测而不可控的扰动，为了提高控制质量，构成图4-13所示的前馈一反馈控制系统。图4-13 连续消毒塔温度前馈-反馈控制系统前馈前馈-反馈控制系统反馈控制系统被控参数：连续消毒塔的 出口温度控制参数：培养基的流量前馈信号：蒸汽压力 在连续消毒塔的前馈-反馈控制系统试验中，为了防止发生培养基染菌事故，用水代替料液对连续消毒塔进行了动态测试。连续消毒塔的控制通道和扰动通道
42、的近似传递函数为：应用了前馈-反馈控制方案后，温度控制品质大有改进，当蒸汽压力波动时，通过前馈校正作用及时校正培养基流量，以补偿压力对连续消毒塔出口温度的影响。系统运行情况表明，系统性能良好，提高了培养基的质量，缩短了消毒时间，满足了生产工艺要求。soessG5.1142180)(sessG8.1F145208)(1.前馈控制器的设计依据：基于不变性原理2.前馈控制的特点：（1）基于扰动来消除扰动对被控量的影响 （2）比反馈控制及时 （3）只适合用来克服可测而不可控的扰动 （4）前馈控制属于开环控制系统 (5)前馈控制采用的是由对象特性确定的“专用”控制器 3.前馈控制的结构形式 静态前馈控制
43、系统、动态前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统4.前馈控制规律的选用：（1）当T0 Tf时，可采用动态前馈-反馈控制来改善控制品质。5.前馈控制系统举例)()()(sGsGsGoFB 在现代工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应。一旦比例失调，轻则会造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生危险。例如：1）在工业锅炉燃烧过程中，需要自动保持燃料量与空气量按一定比例混合后送入炉膛。2）在制药生产过程中，要求将药物和注入剂按规定比例混合。3）聚乙烯醇生产中，树脂和氢氧化钠(Na0H)必须按一定比例进行混合，否则树脂将发生自聚而影响生产的正常进行。4）在硝酸生产过
44、程中，进入氧化炉的氨气和空气的流量要有合适的比例。但同时还应从安全角度考虑，因为当氨气在空气中的含量低温时在（1528）之间，高温时在（1430）之间都会有产生爆炸的危险。因此，保证氨气和空气进料量的比例，不让它进入爆炸范围，这对安全生产来说具有重要意义。为了实现上述种种特殊的要求，必须设计一种特殊的过程控制系统，即比值控制系统。比值控制的目的，就是为了使几种物料混合后符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。1.1.定义：定义：所谓比值控制系统，简单地说，就是使一种物料随另一种物料按一定比例变化的控制系统。实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统称为比值控制系统。通常以保持两种或两种
45、以上物料的流量为一定比例关系的系统，称为流量比值控制系统。2 主物料：在比值控制系统中，需要保持比值的两种物料必有一种处于主导地位，这种物料称为主物料，表征这种物料的参数称为主动量，或主流量，用 Q1表示。从物料：另一种物料按主物料进行配比，即在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料。表征这种物料的参数称为从动量，或副流量，用Q2表示。一般情况下，总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合，是将不可控物料作为主物料，用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。3.比值控制系统就是要实现副流量和主流量成一定的比例关系，即满足Q2Q1k，k为副流量和主流量的比值。如上所述，在比值控制系统中，
46、从动量是随主动量按一定比例变化的，因此，比值控制系统实际上是一种随动控制系统。【例41】某厂生产中需连续使用68NaOH溶液，工艺上采用30NaOH溶液加水稀释配置，如图412所示。一般，由电化厂提供的30浓度的Na0H溶液比较稳定，引起混合器出口溶液浓度变化的主要原因是入口处的碱和水的流量变化。按反馈控制原理，为了保证出口浓度，可设计以出口浓度为被控变量，入口处的水(或碱)流量为操纵变量的反馈控制系统。但是，浓度信号的获取较为困难，即使可以获得浓度信号并组成控制系统，往往也因测量环节和对象控制通道的滞后较大，影响 控制品质。根据前馈控制的不变性原理，若某 一输入物料流量变化时，另一物料也能按
47、比例 跟随变化，则可以达到对出口浓度的完全补偿。对于上述混合问题，通过简单的化学计算可知，只要使入口的30%浓度的NaOH溶液和水的质量流量之比保持在1：41：2.75之间，就可满足出口NaOH溶液浓度达到6%8%。对于这样一个浓度控制问题，也就成为流量比值控制问题。生产上这种类似的控制问题很多，都可以通过保持物料的流量比来保证最终质量。显然，保持流量比只是一种控制手段，保证最终质量才是控制目的。因此比值控制实质上是前馈控制的一种特例。（1）开环比值控制 图4-13所示为开环比值控制系统示意图。FT为检测变送器，FC为比值控制器。在稳定工况下，两种物料的流量应满足Q2=kQ1的要求。1)缺点：
48、该系统对副流量无抗干扰能力，当副流量管线压力改变时，就满足不了所要求的比值。2)应用范围：只适用于从动物料管线压力比较稳定，对比值精度要求不高的场合。3)优点：结构简单，投资省。Q Q2 2Q Q1 1k k（4-124-12）图4-13 开环比值控制系统示意图 对于例41中的生产过程，为保证混合后的浓度，可设计如图413(a)所示的控制系统，其中FC21为纯比例控制器。当流量Q1随高位槽液面变化时，控制器FC的输出按比例变化。若选线性控制阀，则Q2也随着Q1按比例变化。在保持流量间比例关系的两物料中，Q1处于主导地位，选择为主流量，Q2随着Q1变化，选择为副流量。该系统中的控制器只起比例作用
49、，可用比值器代替，改变控制器的比例度或比值器的比值系数，就可以改变两流量的比值k。系统的方框图如图413(b)所示，因为系统是开环的，故称为开环比值控制系统。由于该系统的副流量Q2无反馈校正，因此对于副流量本身无抗干扰能力。如本例中的水流量，若入口压力变化，就无法保证两流量的比值。因此对于开环比值方案，虽然结构简单，但一般很少采用，只有当副流量较平稳且流量比值要求不高的场合才可采用。(2)单闭环比值控制系统 为了克服开环比值控制系统的弱点，可对副流量引入一个反馈回路，组成如图414(a)所示的控制系统。当主流量Q1变化时，其流量信号经测量变送器送到比值器R中。比值器按预先设置好的比值系数使输出
50、成比例变化，并作为副流量控制器的设定值。此时，副流量控制是一个随动系统，Q2经反馈控制自动跟随Q1变化，使其在新的工况下保持两流量比值k不变。当副流量由于自身的干扰而变化时，因为它是一个闭环系统，经反馈控制后可以克服自身的干扰。一般流量控制器都采用PI作用，能消除余差，使工艺要求的流量比k保持不变。从方框图可以看出，系统只包含一个闭合回路，故称为单闭环比值控制。-分析：当主流量受扰动而变化时，其流量信号经变送器送到比值运算器Gc1(s)，比值运算器则按预先设置的比值器参数使输出成比例地变化，即成比例地改变副调节器Gc2(s)的给定值，使副流量Q2跟随主流量Q1而变化，从而保证原设定的比值不变。
