前馈控制系统的基本结构简介

1.静态前馈控制系统

所谓静态前馈控制指过程控制系统只需要在稳态工况下实现对干扰量的补偿（系统在稳态工况下被控量与扰动无关，即_tl→im∞y_n（t）＝0）或被控对象过程的干扰通道和控制通道的动态特性相接近时，前馈控制器的输出信号仅仅是输入（干扰）信号大小的函数，与时间无关。静态前馈控制系统的控制规律为

静态前馈控制器为一个比例控制器，它是前馈控制模型中最简单的形式。静态前馈控制类似于单闭环比值控制，当原料流量（扰动）变化时，检测变送的流量信号乘以比值系数K_ff作为另一个流量控制阀的开度信号或设定值。

2.动态前馈控制系统

所谓动态前馈控制是控制作用力求在任何时刻均实现对干扰的补偿，即通过合适的前馈控制器的选择，使干扰经过前馈控制器至被控量这一通道的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一致，并使它们的符号相反，从而达到控制作用完全补偿干扰对被控变量的影响。前馈控制器的传递函数为

动态前馈控制方案虽然能显著地提高系统的控制品质，但结构往往比较复杂，需要专门的控制装置，系统运行、参数整定也比较困难。因此，只有当工艺上对控制精度要求很高，其他控制方案难以满足且存在一个“可测不可控”的主要扰动时，才考虑使用动态前馈控制方案。

为了避免对扰动通道及控制通道数学模型的过分依赖，且便于前馈控制器的实现及参数整定，根据实际被控过程的非周期、过阻尼特性，动态前馈控制器系统常设计为如下典型的控制规律：

式中 K_ff——静态前馈系数；

T_p——控制通道时间常数；

T_d——扰动通道时间常数。

3.前馈-反馈复合控制系统

前馈控制属于开环控制，不存在对被控变量的反馈，即对补偿效果没有检验的手段，这样前馈控制无法做到最终消除偏差。其次，实际系统可能存在着多个干扰，为了补偿各个干扰对被控变量的影响，势必要设计多个前馈控制通道，这样做显然增加了投资费用和设备维护工作量。此外，前馈控制的控制精度也受到多种因素的限制，因此一个事先设计的前馈控制系统难以获得良好的控制质量。为此，将前馈控制和反馈控制结合起来，构成了前馈-反馈复合控制系统。它既可发挥前馈控制及时克服主要扰动对被控变量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动对被控变量影响的长处，同时它可以降低系统对前馈控制器的苛刻要求，使其在工程上更易于实现。

热交换器为被控对象，当进料量为主扰动量时，出口温度为被控变量的前馈-反馈控制系统，如图7-6所示。

图7-6 热交换器前馈-反馈控制系统(www.xing528.com)

a）热交换器前馈-反馈控制原理图 b）前馈-反馈控制框图

由图7-6可知，系统在扰动N（s）作用下的输出为

实现扰动信号对输出量完全补偿的条件为

由式（7-8）可知，从实现对主要扰动的完全补偿条件来看，无论采用单纯的前馈控制，还是采用前馈-反馈控制，其前馈控制器的特性不会因为增加了反馈而改变。但是，与单独的反馈控制相比，前馈-反馈控制既可实现控制精度的提高，又能保证系统的稳定性。系统的稳定性由其分母多项式决定，与前馈控制器无关，在一定程度上解决了系统稳定性与控制精度之间的矛盾。

4.前馈-串级控制系统

热交换器的前馈-反馈控制系统中，前馈控制器的输出与反馈控制器的输出叠加后直接作用在控制阀上。由于前馈控制是一种开环控制方式，为了保证控制系统的精度，对控制阀提出了严格的要求，希望其灵敏、线性和尽可能小的滞环。此外，还要求控制阀前后的压差恒定。为解决上述问题，可在系统中再增加一个蒸气流量的控制回路，构成如图7-7所示的前馈-串级控制系统。

图7-7 热交换器前馈-串级控制系统

a）热交换器前馈-串级控制原理图 b）前馈-串级控制框图

系统输出Y（s）与干扰N（s）之间的传递函数为

在串级控制系统中，当副回路工作频率高于主回路工作频率10倍时，即副回路等效时间常数比主回路的时间常数约小9/10，则副回路的传递函数可近似为

将式（7-10）代入式（7-9）得系统对干扰的全补偿条件，即前馈控制器的传递函数为

由此可见，无论哪种形式的前馈控制系统，要实现系统对干扰的完全补偿，其前馈控制器的传递函数形式是一样的，均可表示为对象的干扰通道与控制通道的特性之比。