前馈控制系统：原理及特点

反馈控制系统，无论是什么干扰引起系统被控量的变化，系统控制器均是按照偏差的大小和方向进行调节的。但是从干扰产生到被控量发生变化，以及偏差产生相应的控制作用，再由控制信号改变到被控量发生变化，都需要一定的时间。所以，反馈控制总是落后于干扰作用，导致反馈控制无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前。对于滞后较大的被控对象来说，控制作用不及时，从而大大限制了控制质量的提高。

前馈控制是按照扰动量的变化进行控制的。其控制原理是，当系统出现干扰时，控制器就直接根据测量得到的干扰大小和方向求出相应的控制信号，以抵消或减小扰动对被控变量的影响。由于干扰发生后，在被控量还没有发生变化之前，控制器就产生了控制作用，使被控变量不发生偏差。按照这种理论构成的控制系统，称为前馈控制系统。

为说明前馈控制和反馈控制的区别及特点，以图7-1所示热交换器的控制为例进行分析。

1.热交换器的反馈控制

为控制热交换器出口温度的恒定，组成如图7-1所示的温度反馈控制系统。当扰动（如进料流量或温度变化、蒸气压力变化等）发生后，均会影响热交换器的出口温度，使其偏离设定值，产生偏差信号。经反馈控制器运算，输出信号改变控制阀的开度，调节蒸气的流量，从而克服扰动对被控变量的影响。系统采用闭环控制方式可以克服多个扰动的影响，适应性强，但是反馈控制利用偏差纠正偏差，所以控制的及时性较差。

图7-1 热交换器的反馈控制

反馈控制系统的Simulink仿真图如图7-2所示，给定信号单独作用下系统的单位阶跃响应如图7-3a所示，系统稳定后突加5％的干扰信号系统的输出响应如图7-3b所示，系统对干扰作用下的超调量达到50％，动态调节时间为2030s，控制的动态特性较差。

图7-2 反馈控制系统的Simulink仿真图

图7-3 系统的单位阶跃响应曲线

a）给定值单独作用 b）给定值和扰动同时作用

2.热交换器的前馈控制

如果系统的进料流量是影响被控变量的主要扰动，采用如图7-1所示的反馈控制系统，系统可能出现较大的动态偏差。为此，构成如图7-4所示的前馈控制，即将原料流量作为测量信号。当原料流量增加时，出口温度下降，通过前馈控制器将蒸气控制阀打开，使出口温度上升。如果前馈控制器的控制规律合适，可以使出口温度保持不变。这样，在扰动尚未影响到被控变量前，系统就提前调节以补偿扰动对被控变量的影响。前馈控制根据扰动进行调节，采用开环控制方式，控制器的输入信号只有一个变量，即扰动量，只能克服某一特定扰动的影响，不能保证被控变量没有偏差。另外，如果扰动不可测量就不能采用前馈控制。(www.xing528.com)

图7-4 热交换器的前馈控制

图7-5所示为换热器前馈控制系统的框图。

图7-5中，G₀（s）为前馈控制广义对象的传递函数，G_d（s）为干扰通道的传递函数，G_ff（s）为前馈控制器的传递函数，N（s）为扰动信号，Y（s）为系统的输出量。

系统在扰动作用下的输出量为

Y（s）＝G_d（s）N（s）+G_ff（s）G₀（s）N（s） （7-1）

系统对干扰实现完全补偿（即干扰对被控变量无影响）的条件为

图7-5 换热器前馈控制系统的框图

G_d（s）+G_ff（s）G₀（s）＝0 （7-2）

由式（7-2）得到前馈控制器的传递函数为

当广义对象的传递函数G₀（s）和干扰通道的传递函数G_d（s）已知时，根据式（7-3）可得到前馈控制器的控制规律算式。如果该算式可以精确实现，则系统干扰对被控变量没有影响，系统实现了完全补偿。但是，实际上完全补偿几乎是难以做到的，因为要准确地确定过程扰动通道的传递函数G_d（s）及广义被控对象的传递函数G₀（s）均是不容易的，而且被控对象中常常包含非线性特性、生产过程中可能有多个扰动等，导致前馈控制器的传递函数G_ff（s）难以准确，即使前馈控制器模型能准确求出，工程上也难以实现。例如G₀（s）＝e^-30s/（15s+1），G_d（s）＝1/5s+1，则G_ff（s）＝-G_d（s）/G₀（s）＝-（15s+1）e^30s/（5s+1），前馈控制器为一超前装置，工程上很难实现。