前馈控制系统在工业过程中的应用及其优势

所谓前馈控制，实质上是一种按扰动进行调节的开环控制系统。其特点是当扰动产生后，被控变量还未显示出变化以前，根据扰动作用的大小进行调节，以补偿扰动作用对被控变量的影响。这种前馈作用运用恰当，可以使被控变量不会因扰动作用而产生偏差，比反馈控制要及时，并且不受系统滞后的影响。

图2-6所示是换热器的前馈控制系统及其框图。设扰动通道的传递函数为G_f（s），控制通道的传递函数为G₀（s），则若把扰动量测量出来，并通过前馈补偿装置G_d（s）的控制作用，可使扰动的控制作用变弱，此时系统的输出为

Y（s）=[G_f（s）+G_d（s）G₀（s）]F（s） （2-16）

图2-6 换热器的前馈控制系统及其框图

为了使系统在扰动作用下，输出y的偏差等于零。则应满足

G_f（s）+G_d（s）G₀（s）=0

即

由此可见，如果补偿得当，对于某一特定扰动，前馈控制系统的品质十分理想，明显优于反馈控制系统。但是，要实现完全补偿并非易事。因为要得到工业过程的精确数学模型是十分困难的，同时，扰动也往往不止是特定的一种或数种。为了保证有更大的适应性，因此在工业过程的许多场合把前馈控制与反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。前馈克服主要扰动的影响，反馈控制克服其余扰动及前馈补偿的不完全部分。这样，系统即使在大而频繁的扰动下，依旧可以获得优良的控制品质。

一类前馈反馈控制系统是前馈控制作用与反馈控制作用相加，如图2-7所示为加热炉的前馈反馈控制系统，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构。当进料流量发生变化时，不需要等到出现偏差，燃料会作相应的变动，结果将会使调节过程中温度偏差大为减小。(www.xing528.com)

这类前馈反馈控制系统的框图如图2-8所示。显而易见，前馈控制作用的引入并不影响系统的稳定性。

另一类前馈反馈控制系统是前馈控制作用与反馈控制作用相乘，如图2-9所示为换热器的前馈反馈控制系统及框图。

图2-7 加热炉的前馈反馈控制系统

图2-8 前馈反馈控制系统的框图

图2-9 换热器的前馈反馈控制系统及框图

从图2-9可以看出，被加热流体的流量增加，载热体剂量也应相应增加。从动态关系看，则应考虑动态补偿环节。但是，补偿上的任何不足及其余小扰动，都会导致出口温度偏离设定值。为此仍需要设置温度反馈控制器，用它的输出来调节其比值。