前馈—反馈复合控制系统
摘要
流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真
1.前馈控制的定义 2.换热器前馈控制 1.前馈控制的特点 2.前馈控制的局限性 1.定义
目录 一．前馈控制 二．前馈控制的特点及局限性 三．反馈控制
2.反馈控制的特点 四．复合控制系统特性 1.前馈-反馈复合控制原理 2.复合控制系统特点 五．小结 六．参考文献
一、前馈控制 1.前馈控制的定义
前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
2.换热器前馈控制
在热工控制系统中，由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。
前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明，图中虚线部分表示反馈控制系统。
图1换热器物料出口温度前馈控制流程图
换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度t1一定。当被加热水流量发生变化时，若蒸汽量不发生变化，而要使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。
图中虚线所示是反馈控制的方法，这种方法没有前馈控制及时。 图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。
图2 前馈控制系统的一般框图 图中，KB：测量变送器的变送系数； WDZ(S)：干扰通道对象传递函数； WD(S)：控制通道对象传递函数；
WB(S)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。
理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然
WB(S)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。
由图2可得：
Y(S)=[WDZ(S)+KBWB(S)WD(S)]ZS （1） 令KB=0 Y(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S) （2）
ZS式中：WDZ(S)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿”，此时：
Y(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S)=0 ZS所以，前馈控制器的控制规律为：
WB(S)=-
WDZ(S) （3） WDS 上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。
如果WDZ(S) 和 WD(S)可以很准确测出，且WB(S) 完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全控制的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均是零。
二、前馈控制系统的特点 1.前馈控制的特点
前馈控制的特点有：前馈控制系统是开环控制系统；按干扰进行控制，控制及时，精度高；仅仅对前馈量有控制作用；前馈控制器为多用控制器；不能随时了解被控变量变化情况。
2.前馈控制的局限性
前馈控制只能抑制可测干扰对被控参数的影响。.其次,由于实际工业对象存在着多个干扰,为了补偿它们对被控变量的影响,势必要设计多个前馈通道,这就增加了投资费用和维护工作量。此外前馈控制器的数学模型是由过程动态WDZ(S)和WD(S)决定的，而WDZ(S)和
WD(S)的精度模型是很难得到的，也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素
的影响而产生漂移，必将导致干扰通道和控制通道的变化，因此一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。
三．反馈控制 1.定义
反馈控制（英文名称为Feedback Control），是指从被控对象获取信息，按照偏差的极性而向相反的方向改变控制量，再把调节被控量的作用馈送给控制对象，这种控制方法称为反馈控制，也称作按偏差控制。反馈控制总是通过闭环来实现的。 2.反馈控制的特点
反馈控制的特点有：按偏差进行调节；调节量小，失调量小；能随时了解被控变量变化情况；输出影响输入（闭环）。 反馈控制必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用；调节不及时，被控变量总是变化的。
四.复合控制系统特性
正如前面所指出的那样，前馈控制能依据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进
行控制，使被调量始终保持在给定值上。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有前言的手段。因而，当前前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。此外当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。再者，前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致WD(S)和WDZ(S)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。
鉴于以上原因，前馈控制往往不能单独使用。为了获得满意的控制效果，通常是将前馈控制与反馈控制相结合，组成前馈-反馈复合控制系统。该复合系统一方面利用前馈控制及时有效地减少干扰对被控参数的动态影响；另一方面则利用反馈控制使被控参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。
1.前馈-反馈复合控制原理
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。 2.复合控制系统特点
（1）引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。 图3为前馈—反馈复合控制系统的原理方框图。
图3 换热器前馈-反馈控制系统框图
由图可得，没有加入反馈作用时完全补偿的条件为：
WB(S)=-
WDZ(S)W DS加上反馈后有：
Y(S)=
WT(S)WD(S)1+WSW∙X(S)+WB(S)WD(S)+WDZ(S)1+W∙Z(S) TDSTSWDS式（5）中X(S)=0，Z(S)≠0，应用不变性原理有：
WB(S)WD(S)+WDZ(S)1+WSW=0 TDS即：
WB(S)=-
WDZ(S)W DS式（4）与式（6）完全一样。
而如果不加前馈作用，即若WB(S)=0，显然，
Y(S)=
WT(S)WD(S)WDZ(S)1+W∙X(S)+∙Z(S) TSWDS1+WTSWDS由于WDZ(S)≠0，因此扰动对系统输出是有影响的。
（2）复合控制系统补偿控制的规律不仅与对象控制通道和干扰通道的传递函数有关，还与反馈调节器的位置有关。
4） （5） （6）
（
若复合控制系统的组成如图（4）所示，反馈调节器与图（3）相比，不是放在前馈信号前面，而是放在后面，则有：
Y(S)=
WT(S)WD(S)W(S)WT(S)WD(S)+WDZ(S)∙X(S)+B∙Z(S)1+WTSWDS1+WTSWDS
图4 反馈调节器放在前馈信号前面
可得完全补偿条件：
WB(S)=
-WDZ(S) （7） WTSWDS显然与式（4）不同。
（3） 复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多。
为方便比较，设系统为定值控制，即X(S)=0 ，专门讨论扰动Z（s）对系统的影响。
因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(s)的第二项不可能完全为零，令其为∆(S)，那么，纯前馈控制时：
Y(S)=[WDZ(S)+WB(S)WD(S)]∙Z(S)=∆(S)∙Z(S) （8） 加入反馈后，则：
'
Y1(S)=
∆(S)∙Z(S) （9） 1+WTSWDS
因为1+WT(S)WD(S)≥1，因此
Y1(S)≤Y1(S) （10） 对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。 （4） 前馈补偿对于系统稳定性没有影响。
这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入—输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。 五．小结
通过完成这次的课程论文，让我对该科目有了更深的了解，也完善了平时在这方面知识的匮乏。在搜集资料的过程中，也让我学习到很多他人的精辟的学习方法。例如：对于前馈-反馈控制系统而言，要想了解该复合系统的控制优势，必须先分别了解前馈控制和反馈控制的控制特点，以及它们分别的适用范围，然后再将它们的控制结果向对比，同时，用一个具体的实例来说明，更能够将这种抽象理论的知识点具体化，也更方便阅读者理解。最后还要考虑实际情况与理论假设情况的区别，现实生活中的控制系统都是比较复杂的，而我们在理论分析是总是会把它简单化以便于分析，但在实际应用中，还应考虑实际情况的诸多因素。
在本次论文中，通过对前馈-反馈复合控制系统的分析，是我了解到前馈控制对系统的抗干扰能力比较强，而且也不影响系统的动态性能，但也存在其局限性，因而和反馈控制一起使用更有利于系统的抗干扰能力及稳定性。
六．参考文献
[1] 邵裕森，戴先中．过程控制工程．机械工业出版社，2007年1月 [2] 孙洪程，翁唯勤编．过程控制工程设计．化工出版社，2001． [3] 俞金寿，向衍庆，邱宣振编．化工自控工程设计．华东化工学院出社． [4] 秦起佑编．工业自动化仪表手册．机械工业出版社，1995．
[5] 周庆贵,张毅莉,唐建银. 基于PID算法的PLC控制系统设计.机床与液
压,2010,38(14),
[6] 方桂笋． 基于PLC的变频恒压供水系统的设计． 兰州理工大学硕士毕业论文，2008,6
'
'
[7] 唐功友,马慧． 具有正弦扰动的时滞系统前馈一反馈次优控制：灵敏度法．自动化学报,
2006,05(32)
[8] 周翔,石培科,黄罡,吴罕奇． 前馈-反馈控制方法在电液比例调速系统中的应用.工程机
械, 2009,7（40）
前馈—反馈复合控制系统
摘要
流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
关键词：流量定值；过程控制；PID调节器；前馈控制；系统仿真
1.前馈控制的定义 2.换热器前馈控制 1.前馈控制的特点 2.前馈控制的局限性 1.定义
目录 一．前馈控制 二．前馈控制的特点及局限性 三．反馈控制
2.反馈控制的特点 四．复合控制系统特性 1.前馈-反馈复合控制原理 2.复合控制系统特点 五．小结 六．参考文献
一、前馈控制 1.前馈控制的定义
前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
2.换热器前馈控制
在热工控制系统中，由于控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。
前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明，图中虚线部分表示反馈控制系统。
图1换热器物料出口温度前馈控制流程图
换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度t1一定。当被加热水流量发生变化时，若蒸汽量不发生变化，而要使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。
图中虚线所示是反馈控制的方法，这种方法没有前馈控制及时。 图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。
图2 前馈控制系统的一般框图 图中，KB：测量变送器的变送系数； WDZ(S)：干扰通道对象传递函数； WD(S)：控制通道对象传递函数；
WB(S)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。
理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器（前馈调节器）的控制作用，显然
WB(S)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。
由图2可得：
Y(S)=[WDZ(S)+KBWB(S)WD(S)]ZS （1） 令KB=0 Y(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S) （2）
ZS式中：WDZ(S)是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿”，此时：
Y(S)=WDZ(S)+WB(S)WD(S)=0 ZS所以，前馈控制器的控制规律为：
WB(S)=-
WDZ(S) （3） WDS 上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。
如果WDZ(S) 和 WD(S)可以很准确测出，且WB(S) 完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全控制的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均是零。
二、前馈控制系统的特点 1.前馈控制的特点
前馈控制的特点有：前馈控制系统是开环控制系统；按干扰进行控制，控制及时，精度高；仅仅对前馈量有控制作用；前馈控制器为多用控制器；不能随时了解被控变量变化情况。
2.前馈控制的局限性
前馈控制只能抑制可测干扰对被控参数的影响。.其次,由于实际工业对象存在着多个干扰,为了补偿它们对被控变量的影响,势必要设计多个前馈通道,这就增加了投资费用和维护工作量。此外前馈控制器的数学模型是由过程动态WDZ(S)和WD(S)决定的，而WDZ(S)和
WD(S)的精度模型是很难得到的，也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素
的影响而产生漂移，必将导致干扰通道和控制通道的变化，因此一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。
三．反馈控制 1.定义
反馈控制（英文名称为Feedback Control），是指从被控对象获取信息，按照偏差的极性而向相反的方向改变控制量，再把调节被控量的作用馈送给控制对象，这种控制方法称为反馈控制，也称作按偏差控制。反馈控制总是通过闭环来实现的。 2.反馈控制的特点
反馈控制的特点有：按偏差进行调节；调节量小，失调量小；能随时了解被控变量变化情况；输出影响输入（闭环）。 反馈控制必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用；调节不及时，被控变量总是变化的。
四.复合控制系统特性
正如前面所指出的那样，前馈控制能依据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进
行控制，使被调量始终保持在给定值上。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有前言的手段。因而，当前前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。此外当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。再者，前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致WD(S)和WDZ(S)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。
鉴于以上原因，前馈控制往往不能单独使用。为了获得满意的控制效果，通常是将前馈控制与反馈控制相结合，组成前馈-反馈复合控制系统。该复合系统一方面利用前馈控制及时有效地减少干扰对被控参数的动态影响；另一方面则利用反馈控制使被控参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。
1.前馈-反馈复合控制原理
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。 2.复合控制系统特点
（1）引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。 图3为前馈—反馈复合控制系统的原理方框图。
图3 换热器前馈-反馈控制系统框图
由图可得，没有加入反馈作用时完全补偿的条件为：
WB(S)=-
WDZ(S)W DS加上反馈后有：
Y(S)=
WT(S)WD(S)1+WSW∙X(S)+WB(S)WD(S)+WDZ(S)1+W∙Z(S) TDSTSWDS式（5）中X(S)=0，Z(S)≠0，应用不变性原理有：
WB(S)WD(S)+WDZ(S)1+WSW=0 TDS即：
WB(S)=-
WDZ(S)W DS式（4）与式（6）完全一样。
而如果不加前馈作用，即若WB(S)=0，显然，
Y(S)=
WT(S)WD(S)WDZ(S)1+W∙X(S)+∙Z(S) TSWDS1+WTSWDS由于WDZ(S)≠0，因此扰动对系统输出是有影响的。
（2）复合控制系统补偿控制的规律不仅与对象控制通道和干扰通道的传递函数有关，还与反馈调节器的位置有关。
4） （5） （6）
（
若复合控制系统的组成如图（4）所示，反馈调节器与图（3）相比，不是放在前馈信号前面，而是放在后面，则有：
Y(S)=
WT(S)WD(S)W(S)WT(S)WD(S)+WDZ(S)∙X(S)+B∙Z(S)1+WTSWDS1+WTSWDS
图4 反馈调节器放在前馈信号前面
可得完全补偿条件：
WB(S)=
-WDZ(S) （7） WTSWDS显然与式（4）不同。
（3） 复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多。
为方便比较，设系统为定值控制，即X(S)=0 ，专门讨论扰动Z（s）对系统的影响。
因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(s)的第二项不可能完全为零，令其为∆(S)，那么，纯前馈控制时：
Y(S)=[WDZ(S)+WB(S)WD(S)]∙Z(S)=∆(S)∙Z(S) （8） 加入反馈后，则：
'
Y1(S)=
∆(S)∙Z(S) （9） 1+WTSWDS
因为1+WT(S)WD(S)≥1，因此
Y1(S)≤Y1(S) （10） 对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。 （4） 前馈补偿对于系统稳定性没有影响。
这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入—输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。 五．小结
通过完成这次的课程论文，让我对该科目有了更深的了解，也完善了平时在这方面知识的匮乏。在搜集资料的过程中，也让我学习到很多他人的精辟的学习方法。例如：对于前馈-反馈控制系统而言，要想了解该复合系统的控制优势，必须先分别了解前馈控制和反馈控制的控制特点，以及它们分别的适用范围，然后再将它们的控制结果向对比，同时，用一个具体的实例来说明，更能够将这种抽象理论的知识点具体化，也更方便阅读者理解。最后还要考虑实际情况与理论假设情况的区别，现实生活中的控制系统都是比较复杂的，而我们在理论分析是总是会把它简单化以便于分析，但在实际应用中，还应考虑实际情况的诸多因素。
在本次论文中，通过对前馈-反馈复合控制系统的分析，是我了解到前馈控制对系统的抗干扰能力比较强，而且也不影响系统的动态性能，但也存在其局限性，因而和反馈控制一起使用更有利于系统的抗干扰能力及稳定性。
六．参考文献
[1] 邵裕森，戴先中．过程控制工程．机械工业出版社，2007年1月 [2] 孙洪程，翁唯勤编．过程控制工程设计．化工出版社，2001． [3] 俞金寿，向衍庆，邱宣振编．化工自控工程设计．华东化工学院出社． [4] 秦起佑编．工业自动化仪表手册．机械工业出版社，1995．
[5] 周庆贵,张毅莉,唐建银. 基于PID算法的PLC控制系统设计.机床与液
压,2010,38(14),
[6] 方桂笋． 基于PLC的变频恒压供水系统的设计． 兰州理工大学硕士毕业论文，2008,6
'
'
[7] 唐功友,马慧． 具有正弦扰动的时滞系统前馈一反馈次优控制：灵敏度法．自动化学报,
2006,05(32)
[8] 周翔,石培科,黄罡,吴罕奇． 前馈-反馈控制方法在电液比例调速系统中的应用.工程机
械, 2009,7（40）