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4.2 前馈控制系统 主要内容 基本概念 系统结构 性能分析 设计应用 4.2.1 前馈控制基本概念 反馈控制 前馈控制 例：换热器温度控制 方案一： 反馈控制 FBC — 用加热载体的流量控制被加热流体的温度 滞后控制 前馈控制方案 FFC — 按干扰量的变化来提前补偿其对被控变量的影响。 一、反馈控制与前馈控制的特点 (一) 反馈控制的特点 1)反馈控制的本质是“基于偏差来消除偏差”。 2)无论扰动发生在哪里，被控变量产生偏差，调节器才动作。不及时。 3)反馈控制系统，构成闭环，存在一个稳定性的问题。 4)所有扰动都包围在闭环内，可消除多种扰动。 5)反馈控制系统中，调节规律：P、PI、PD、PID。 (二) 前馈控制的特点 前馈与反馈的控制比较 系统框图与控制算式 GPD(s) 干扰通道， GPC(s) 控制通道 完全补偿条件：F（S）≠0 而 Y（S）=0 不变性原理 (一) 不变性的基本概念 “不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。 不变性的类型 1）绝对不变性：指系统在扰动量f(t) 的作用下被控量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变。 2）误差不变性：指准确度有一定限制的不变性，或者说与绝对不变性存在一定误差为ε的不变性，又称为ε不变性。 系统在扰动量作用f(t) 的作用下，被控量y(t)的偏差小于一个很小的ε。 3) 稳态不变性：系统在稳态工况下，被控量y(t)与扰动量f(t)无关。 4）选择不变性：系统采用了被控变量对其中几个主要扰动实现不变性，称为选择性不变性。 基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统 实质：按扰动进行补偿的开环系统。 4.2.2 系统结构与性能分析 一、静态前馈控制 例：换热器前馈控制，按热平衡关系列写出静态前馈控制方程。 如果考虑次要的扰动F2和T1i的变化，把冷流体出口温度稳定在设定值Tx，则由式可得静态前馈控制方程： 静态前馈控制 1、实现稳定工况下的干扰补偿（要求没有动态那么高）。有时，为了提高动态品质，可在静态前馈基础上适当加入动态环节 2、适用于较为简单的对象，可以写出静态方程式 3、单纯前馈控制要注意系统稳定性问题： 开环通道稳定，FFC稳定； 开环不稳定对象，要在控制器设计时注意。 二、前馈—反馈控制系统 单纯前馈控制的局限性： （1）不能根据偏差进行控制效果检验 （不能反馈）而不断纠正偏差 （2）受模型精度影响GPD(s)、GPC(s) （3）一个前馈控制只能处理一个扰动 例：换热器FFC-FBC系统 FFC按负荷F的变化校正蒸汽量F2 。 FBC根据温度偏差对蒸汽量F2进行进一步校正。 FFC与FBC作用叠加。 完全补偿条件与单纯FFC相同。 FFC-FBC优点： （1）FFC只需对主要干扰进行前馈补偿，其余干扰由FBC完成 （2）由于FBC的偏差校正，对FFC的模型精度要求降低 （3）有模型变化的适应能力 三、前馈—串级控制系统 同样对于前例的换热器FFC-FBC系统，如果蒸汽流量不稳定，无论FFC或FBC的效果都不能正常发挥。 解决办法：串级控制 前馈—串级控制系统，克服副回路蒸汽量F2的扰动。 前馈补偿环节： 1、前馈控制系统适用于什么场合？有某前馈一反馈控制系统，其对象干扰通道的传递函为 ，调节通道的传递函数为 ，反馈调节器用PID规律，试设计前馈调节器，并画出前馈一反馈控制系统的方框图。 答：前馈控制系统的特点是按照干扰作用的大小进行调节的，当某一干扰出现后，调节器就对操纵变量进行调整，来补偿干扰对被控变量的影响。它调节及时，并且不受系统滞后大小的限制。前馈调节器是开环的调节系统，前馈调节规律不能用PID，它是一种特殊的调节规律，适用于以下4种场合： 1）滞后比较大的调节对象； 2）时间常数很小的对象； 3）非线性的调节对象； 4）按计算指标进行调节的对象。 由理想的前馈调节规律可知： 2、下图所示为加热炉的三种控制方案。试分别画出 (a)、(b)、(c)所示三种情况的方块图，并比较这三种控制方案的特点。 答：其方块图如图所示。其中a）为典型的串级控制系统。主变量为加热炉出口温度T，副变量为燃料油流量Q1 引人副变量Q1的目的是为了及时克服由于燃料油