4.2

前饋控制系統(tǒng)1.4.2

前饋控制系統(tǒng)1.主要內(nèi)容基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能分析設(shè)計應(yīng)用2.主要內(nèi)容基本概念2.過程控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1、反饋控制系統(tǒng)2、前饋控制系統(tǒng)3、前饋-反饋控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念3.過程控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念3.控制器動作補償擾動影響被控過程受到擾動產(chǎn)生偏差特點：單回路、串級控制反饋閉環(huán)控制反饋控制4.控制器動作補償擾動影響被控過程受到擾動產(chǎn)生偏差特點：單回路、在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進行控制。如果擾動已進入控制系統(tǒng)，而被控量尚未變化，控制器是不會產(chǎn)生校正作用的。由于偏差是在擾動作用之后才產(chǎn)生的，故對于一些滯后（包括純滯后和容量滯后）較大的對象來說，控制作用往往不及時，使控制過程產(chǎn)生較大的偏差，且偏差持續(xù)時間也較長。當(dāng)工藝對控制質(zhì)量要求嚴格時，有些場合反饋控制便難以滿足要求。

雙容水箱液位控制

例：雙容水箱液位控制

5.在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進行控前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時的一種方法，它是按引起被控量變化的擾動大小進行控制的。當(dāng)擾動剛出現(xiàn)且能被測出時，控制器就能夠發(fā)出控制信號去克服這種擾動，無須等待被控量的變化。因此，前饋控制對于克服擾動的影響比反饋控制來得快。如果使用恰當(dāng)，控制質(zhì)量可獲得改善。這種按照擾動產(chǎn)生校正作用的控制方法，通稱為前饋控制。前饋控制的基本原理：測取進入過程的擾動量(外界擾動和設(shè)定值變化)，并按照其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變控制量。前饋控制的特點：按引起被控量變化的擾動大小進行控制，無須等待被控量的變化。6.前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時的一種方法，它例：換熱器溫度控制

方案一：

反饋控制FBC—用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度

滯后控制

7.例：換熱器溫度控制7.

前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響。

方案二：8.前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補償其對換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補償由于進料流量變化對出口溫度的影響。

超前控制擾動作用前饋作用前饋控制系統(tǒng)的全補償過程

9.換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，一、反饋控制與前饋控制的特點(一)反饋控制的特點1)反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。2)無論擾動發(fā)生在哪里，被控變量產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器才動作。不及時。3)反饋控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)，存在一個穩(wěn)定性的問題。4)所有擾動都包圍在閉環(huán)內(nèi)，可消除多種擾動。5)反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)規(guī)律：P、PI、PD、PID。10.一、反饋控制與前饋控制的特點(一)反饋控制的特點10.(二)前饋控制的特點（1）前饋控制器是“基于擾動來消除擾動對被控量的影響”，稱為擾動補償。（2）按干擾作用的大小進行控制——提前，控制及時。（3）前饋控制屬于開環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性的問題：開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設(shè)計的要求比較嚴格。（4）是一種根據(jù)對象特性設(shè)計的“專用”控制器。不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設(shè)計依據(jù)“擾動補償理論”。（5）只對被前饋的可測不可控的主要擾動有校正作用。其它擾動無法控制，具有一定的局限性。11.(二)前饋控制的特點（1）前饋控制器是“基于擾動來消除擾動控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動量的大小擾動量偏差出現(xiàn)前前饋與反饋的控制比較12.控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制被控變量的偏差被系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖13.系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(SGPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道完全補償條件：F（S）≠0而Y（S）=0GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)擾動作用前饋作用14.GPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道GPD(s)不變性原理(一)不變性的基本概念“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動量完全無關(guān)，或在一定準確度下無關(guān)。被控過程f(t)y(t)干擾輸入下的系統(tǒng)f(t)：擾動量，系統(tǒng)輸入?yún)?shù)y(t)：被控量，系統(tǒng)輸出參數(shù)當(dāng)f(t)≠0時，系統(tǒng)的不變性定義為：y(t)≡0即被控量y(t)與擾動量f(t)無關(guān)15.不變性原理(一)不變性的基本概念被控過程f(t)y不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動量f(t)的作用下被控量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變。2）誤差不變性：指準確度有一定限制的不變性，或者說與絕對不變性存在一定誤差為ε的不變性，又稱為ε不變性。系統(tǒng)在擾動量作用f(t)的作用下，被控量y(t)的偏差小于一個很小的ε。3)穩(wěn)態(tài)不變性：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，被控量y(t)與擾動量f(t)無關(guān)。4）選擇不變性：系統(tǒng)采用了被控變量對其中幾個主要擾動實現(xiàn)不變性，稱為選擇性不變性。

基于不變性原理組成的自動控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)實質(zhì)：按擾動進行補償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。16.不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動量f(t)的作用下4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制

前饋控制作用表達式：mf＝f(D,t)mf是其輸入D（進入控制器的擾動量）和時間t的函數(shù)靜態(tài)前饋控制，是指控制器的輸出量僅是其輸入量的函數(shù)而與時間因子無關(guān)，簡化表達式：mf＝f(D)工程上近似表示為線性關(guān)系：Kf－前饋控制器的比例系數(shù)Δmf

－前饋控制器的輸出ΔD--輸入的變化量17.4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制前饋控制作用例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。18.例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。18解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o－T1i)＝F2H2(F1＋ΔF1)C1(T1o－T1i)＝(F2＋ΔF2)H2F1為主要擾動，為保持出口溫度T1o不變，設(shè)冷流體增加為F1+ΔF1，需要載熱體相應(yīng)變化到F2+ΔF2，則由上式可得靜態(tài)前饋控制方程為：整理后得：Kf為比例常數(shù)ΔF2/ΔF1＝Kf

19.解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o

如果考慮次要的擾動F2和T1i的變化，把冷流體出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值Tx，則由式可得靜態(tài)前饋控制方程：

前饋控制器控制方案：單元組合儀表實現(xiàn)換熱器靜態(tài)前饋控制方案

20.如果考慮次要的擾動F2和T1i的變化，把

靜態(tài)前饋控制

1、實現(xiàn)穩(wěn)定工況下的干擾補償（要求沒有動態(tài)那么高）。有時，為了提高動態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上適當(dāng)加入動態(tài)環(huán)節(jié)2、適用于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式3、單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問題：開環(huán)通道穩(wěn)定，F(xiàn)FC穩(wěn)定；開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設(shè)計時注意。動態(tài)前饋控制

實現(xiàn)動態(tài)干擾補償21.靜態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制21.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)

單純前饋控制的局限性：

（1）不能根據(jù)偏差進行控制效果檢驗（不能反饋）而不斷糾正偏差（2）受模型精度影響GPD(s)、GPC(s)（3）一個前饋控制只能處理一個擾動結(jié)合反饋、前饋的特點，取長補短，從而形成前饋—反饋控制方案（FFC—FBC）

對主要干擾進行前饋控制——校正及時

對其它干擾進行反饋控制——反饋校正，多干擾控制22.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)合反饋、前饋的特點，取長補短，從例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)FFC按負荷F的變化校正蒸汽量F2。FBC根據(jù)溫度偏差對蒸汽量F2進行進一步校正。FFC與FBC作用疊加。完全補償條件與單純FFC相同。

23.例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)23.FFC-FBC優(yōu)點：（1）FFC只需對主要干擾進行前饋補償，其余干擾由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低（3）有模型變化的適應(yīng)能力24.FFC-FBC優(yōu)點：24.三、前饋—串級控制系統(tǒng)同樣對于前例的換熱器FFC-FBC系統(tǒng)，如果蒸汽流量不穩(wěn)定，無論FFC或FBC的效果都不能正常發(fā)揮。

解決辦法：串級控制前饋—串級控制系統(tǒng)，克服副回路蒸汽量F2的擾動。前饋補償環(huán)節(jié)：25.三、前饋—串級控制系統(tǒng)25.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系統(tǒng)，其對象干擾通道的傳遞函為，調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)為，反饋調(diào)節(jié)器用PID規(guī)律，試設(shè)計前饋調(diào)節(jié)器，并畫出前饋一反饋控制系統(tǒng)的方框圖。例：26.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系答：前饋控制系統(tǒng)的特點是按照干擾作用的大小進行調(diào)節(jié)的，當(dāng)某一干擾出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器就對操縱變量進行調(diào)整，來補償干擾對被控變量的影響。它調(diào)節(jié)及時，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋調(diào)節(jié)器是開環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，前饋調(diào)節(jié)規(guī)律不能用PID，它是一種特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律，適用于以下4種場合：1）滯后比較大的調(diào)節(jié)對象；2）時間常數(shù)很小的對象；3）非線性的調(diào)節(jié)對象；4）按計算指標進行調(diào)節(jié)的對象。

27.答：前饋控制系統(tǒng)的特點是按照干擾作用的大由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖28.由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖28.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b)、(c)所示三種情況的方塊圖，并比較這三種控制方案的特點。29.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b

答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級控制系統(tǒng)。主變量為加熱爐出口溫度T，副變量為燃料油流量Q1引人副變量Q1的目的是為了及時克服由于燃料油壓力（流量）波動對主變量T的影響，以提高主變量T的控制質(zhì)量。

30.答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級

圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油的出口溫度θ。綜合了前饋與反饋控制的優(yōu)點原油流量變化FC燃料油的加入量出口溫度的變化燃料量的加入量TC克服其它干擾克服主干擾31.圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油

圖c串級控制：？？？雙重控制：？？？前饋-反饋控制：？？？前饋-串級控制：？？？32.圖c串級控制：？？？32.

兩個調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級控制，但并沒有副回路，只有一個反饋回路，執(zhí)行器的輸出并不能改變原油的流量，所以不能認為是一個串級控制系統(tǒng)。將(c)與(b)相比較，可知將圖(b)中的前饋調(diào)節(jié)器FC移到了控制回路內(nèi)，便成了圖(c)所表示的形式了。這時如將FC選擇為比例調(diào)節(jié)器，那么原油流量的變化仍能及時通過FC來改變?nèi)剂嫌偷牧髁浚鸬搅遂o態(tài)前饋作用，而TC能根據(jù)被控變量θ的變化起到反饋作用。圖c）是一種形似串級控制但實際上是一種前饋——反饋控制的非標準結(jié)構(gòu)形式。33.兩個調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為F三者的比較串級控制雙重控制前饋-反饋控制34.三者的比較34.串級控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的設(shè)定信號雙重控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的測量信號前饋-反饋控制：一個控制的輸出與另一控制器的輸出信號疊加F1TCFCT10F2

串級控制雙重控制前饋-反饋控制35.串級控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的設(shè)定信號F1TC前饋一反饋控制與串級控制的比較F1TCFCT10F2

串級控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)36.前饋一反饋控制與串級控制的比較F1TCFCT10F2前饋一反饋控制與雙重控制的比較雙重控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)37.前饋一反饋控制與雙重控制的比較雙重控制系統(tǒng)前饋-反饋控制系統(tǒng)

前饋控制規(guī)律取決于對象干擾通道和控制通道的傳遞函數(shù)

工業(yè)對象特性復(fù)雜，導(dǎo)致前饋控制規(guī)律種類繁多，不利于實施

工業(yè)應(yīng)用希望控制規(guī)律能具有一定的通用性，便于控制實施（特別是儀表）4.2.3前饋控制規(guī)律的實施38.4.2.3前饋控制規(guī)律的實施38.一般的工業(yè)對象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：GPD（S）、GPC（S）→GFF（S）一般控制儀表以及計算機控制系統(tǒng)中都具有此類模塊39.一般的工業(yè)對象可以用一階容量滯后加純滯后環(huán)節(jié)近似,如：G什么情況下采用前饋控制：（1）對象滯后較大，反饋難以滿足要求，可把主要干擾進行前饋控制（2）系統(tǒng)中存在可測、不可控的顯著干擾（3）工藝要求實現(xiàn)變量間特殊關(guān)系的控制4.2.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用40.4.2.4前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用40.靜態(tài)前饋還是動態(tài)前饋

動態(tài)前饋復(fù)雜，一般可用靜態(tài)前饋，特別是兩通道時間常數(shù)相當(dāng)時。注意前饋控制和串級控制的區(qū)別前饋-反饋、串級控制都有兩個控制參數(shù)，結(jié)構(gòu)上也有些相似，注意其區(qū)別

41.靜態(tài)前饋還是動態(tài)前饋41.4.2.5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定

Kf、T1、T2的整定Kf的整定

開環(huán)整定法：斷開反饋通道，單純前饋控制，施加干擾，改變Kf，直到控制變量回到給定值

閉環(huán)整定法：閉環(huán)整定法系統(tǒng)方塊圖42.4.2.5前饋控制系統(tǒng)的參數(shù)整定T1T2的整定

T1T2屬于動態(tài)參數(shù)的整定，比靜態(tài)參數(shù)的整定復(fù)雜，無完整的工程整定方法和計算公式。看曲線，調(diào)參數(shù)，反復(fù)試湊43.T1T2的整定43.定性分析：1）T1過小或T2過大，欠補償，未能有效發(fā)揮前饋的補償功能。2）T1過大或T2過小，過補償，控制品質(zhì)差。3）T1和T2接近對象控制通道和干擾通道時間常數(shù)時，控制品質(zhì)最佳，欠補償比過補償好些，安全，整定時，從欠補償開始調(diào)整。F1,T1i換熱器的前饋控制

FCΔmfF2T10前饋控制器載熱體換熱器冷流體F1ΔF1tT10tba

擾動和補償曲線44.定性分析：F1,T1i換熱器的前饋控制F難點與重點掌握前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理掌握前饋與反饋控制系統(tǒng)的特點能對前饋-反饋控制系統(tǒng)進行分析與設(shè)計45.難點與重點掌握前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理45.4.2

前饋控制系統(tǒng)46.4.2

前饋控制系統(tǒng)1.主要內(nèi)容基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能分析設(shè)計應(yīng)用47.主要內(nèi)容基本概念2.過程控制系統(tǒng)按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點分類1、反饋控制系統(tǒng)2、前饋控制系統(tǒng)3、前饋-反饋控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念48.過程控制系統(tǒng)4.2.1前饋控制基本概念3.控制器動作補償擾動影響被控過程受到擾動產(chǎn)生偏差特點：單回路、串級控制反饋閉環(huán)控制反饋控制49.控制器動作補償擾動影響被控過程受到擾動產(chǎn)生偏差特點：單回路、在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進行控制。如果擾動已進入控制系統(tǒng)，而被控量尚未變化，控制器是不會產(chǎn)生校正作用的。由于偏差是在擾動作用之后才產(chǎn)生的，故對于一些滯后（包括純滯后和容量滯后）較大的對象來說，控制作用往往不及時，使控制過程產(chǎn)生較大的偏差，且偏差持續(xù)時間也較長。當(dāng)工藝對控制質(zhì)量要求嚴格時，有些場合反饋控制便難以滿足要求。

雙容水箱液位控制

例：雙容水箱液位控制

50.在反饋控制系統(tǒng)中，控制器根據(jù)被控量與設(shè)定值之差進行控前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時的一種方法，它是按引起被控量變化的擾動大小進行控制的。當(dāng)擾動剛出現(xiàn)且能被測出時，控制器就能夠發(fā)出控制信號去克服這種擾動，無須等待被控量的變化。因此，前饋控制對于克服擾動的影響比反饋控制來得快。如果使用恰當(dāng)，控制質(zhì)量可獲得改善。這種按照擾動產(chǎn)生校正作用的控制方法，通稱為前饋控制。前饋控制的基本原理：測取進入過程的擾動量(外界擾動和設(shè)定值變化)，并按照其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變控制量。前饋控制的特點：按引起被控量變化的擾動大小進行控制，無須等待被控量的變化。51.前饋控制前饋控制正是改善反饋控制不及時的一種方法，它例：換熱器溫度控制

方案一：

反饋控制FBC—用加熱載體的流量控制被加熱流體的溫度

滯后控制

52.例：換熱器溫度控制7.

前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補償其對被控變量的影響。

方案二：53.前饋控制方案FFC—按干擾量的變化來提前補償其對換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，通過前饋裝置，控制閥門，即用蒸汽變化補償由于進料流量變化對出口溫度的影響。

超前控制擾動作用前饋作用前饋控制系統(tǒng)的全補償過程

54.換熱器進料量為出口溫度的主要干擾量，可通過流量測量，一、反饋控制與前饋控制的特點(一)反饋控制的特點1)反饋控制的本質(zhì)是“基于偏差來消除偏差”。2)無論擾動發(fā)生在哪里，被控變量產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器才動作。不及時。3)反饋控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)，存在一個穩(wěn)定性的問題。4)所有擾動都包圍在閉環(huán)內(nèi)，可消除多種擾動。5)反饋控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)規(guī)律：P、PI、PD、PID。55.一、反饋控制與前饋控制的特點(一)反饋控制的特點10.(二)前饋控制的特點（1）前饋控制器是“基于擾動來消除擾動對被控量的影響”，稱為擾動補償。（2）按干擾作用的大小進行控制——提前，控制及時。（3）前饋控制屬于開環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性的問題：開環(huán)控制，控制效果不能通過反饋驗證，因此對控制器設(shè)計的要求比較嚴格。（4）是一種根據(jù)對象特性設(shè)計的“專用”控制器。不象反饋控制通用PID算法，前饋控制算法依對象不同而不同。前饋控制器設(shè)計依據(jù)“擾動補償理論”。（5）只對被前饋的可測不可控的主要擾動有校正作用。其它擾動無法控制，具有一定的局限性。56.(二)前饋控制的特點（1）前饋控制器是“基于擾動來消除擾動控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制被控變量的偏差被控變量偏差出現(xiàn)后前饋控制擾動量的大小擾動量偏差出現(xiàn)前前饋與反饋的控制比較57.控制依據(jù)檢測的信號控制作用的發(fā)生時間反饋控制被控變量的偏差被系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖58.系統(tǒng)框圖與控制算式GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(SGPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道完全補償條件：F（S）≠0而Y（S）=0GPD(s)GPC(s)Gff(s)F(S)Y(S)前饋控制方框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)擾動作用前饋作用59.GPD(s)干擾通道，GPC(s)控制通道GPD(s)不變性原理(一)不變性的基本概念“不變性”是指控制系統(tǒng)的被控量與擾動量完全無關(guān)，或在一定準確度下無關(guān)。被控過程f(t)y(t)干擾輸入下的系統(tǒng)f(t)：擾動量，系統(tǒng)輸入?yún)?shù)y(t)：被控量，系統(tǒng)輸出參數(shù)當(dāng)f(t)≠0時，系統(tǒng)的不變性定義為：y(t)≡0即被控量y(t)與擾動量f(t)無關(guān)60.不變性原理(一)不變性的基本概念被控過程f(t)y不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動量f(t)的作用下被控量y(t)在整個過渡過程中始終保持不變。2）誤差不變性：指準確度有一定限制的不變性，或者說與絕對不變性存在一定誤差為ε的不變性，又稱為ε不變性。系統(tǒng)在擾動量作用f(t)的作用下，被控量y(t)的偏差小于一個很小的ε。3)穩(wěn)態(tài)不變性：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下，被控量y(t)與擾動量f(t)無關(guān)。4）選擇不變性：系統(tǒng)采用了被控變量對其中幾個主要擾動實現(xiàn)不變性，稱為選擇性不變性。

基于不變性原理組成的自動控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)實質(zhì)：按擾動進行補償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)。61.不變性的類型1）絕對不變性：指系統(tǒng)在擾動量f(t)的作用下4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制

前饋控制作用表達式：mf＝f(D,t)mf是其輸入D（進入控制器的擾動量）和時間t的函數(shù)靜態(tài)前饋控制，是指控制器的輸出量僅是其輸入量的函數(shù)而與時間因子無關(guān)，簡化表達式：mf＝f(D)工程上近似表示為線性關(guān)系：Kf－前饋控制器的比例系數(shù)Δmf

－前饋控制器的輸出ΔD--輸入的變化量62.4.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能分析一、靜態(tài)前饋控制前饋控制作用例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。63.例：換熱器前饋控制，按熱平衡關(guān)系列寫出靜態(tài)前饋控制方程。18解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o－T1i)＝F2H2(F1＋ΔF1)C1(T1o－T1i)＝(F2＋ΔF2)H2F1為主要擾動，為保持出口溫度T1o不變，設(shè)冷流體增加為F1+ΔF1，需要載熱體相應(yīng)變化到F2+ΔF2，則由上式可得靜態(tài)前饋控制方程為：整理后得：Kf為比例常數(shù)ΔF2/ΔF1＝Kf

64.解：換熱器的熱平衡方程式（忽略熱損失）為：F1C1(T1o

如果考慮次要的擾動F2和T1i的變化，把冷流體出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值Tx，則由式可得靜態(tài)前饋控制方程：

前饋控制器控制方案：單元組合儀表實現(xiàn)換熱器靜態(tài)前饋控制方案

65.如果考慮次要的擾動F2和T1i的變化，把

靜態(tài)前饋控制

1、實現(xiàn)穩(wěn)定工況下的干擾補償（要求沒有動態(tài)那么高）。有時，為了提高動態(tài)品質(zhì)，可在靜態(tài)前饋基礎(chǔ)上適當(dāng)加入動態(tài)環(huán)節(jié)2、適用于較為簡單的對象，可以寫出靜態(tài)方程式3、單純前饋控制要注意系統(tǒng)穩(wěn)定性問題：開環(huán)通道穩(wěn)定，F(xiàn)FC穩(wěn)定；開環(huán)不穩(wěn)定對象，要在控制器設(shè)計時注意。動態(tài)前饋控制

實現(xiàn)動態(tài)干擾補償66.靜態(tài)前饋控制動態(tài)前饋控制21.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)

單純前饋控制的局限性：

（1）不能根據(jù)偏差進行控制效果檢驗（不能反饋）而不斷糾正偏差（2）受模型精度影響GPD(s)、GPC(s)（3）一個前饋控制只能處理一個擾動結(jié)合反饋、前饋的特點，取長補短，從而形成前饋—反饋控制方案（FFC—FBC）

對主要干擾進行前饋控制——校正及時

對其它干擾進行反饋控制——反饋校正，多干擾控制67.二、前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)合反饋、前饋的特點，取長補短，從例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)FFC按負荷F的變化校正蒸汽量F2。FBC根據(jù)溫度偏差對蒸汽量F2進行進一步校正。FFC與FBC作用疊加。完全補償條件與單純FFC相同。

68.例：換熱器FFC-FBC系統(tǒng)23.FFC-FBC優(yōu)點：（1）FFC只需對主要干擾進行前饋補償，其余干擾由FBC完成（2）由于FBC的偏差校正，對FFC的模型精度要求降低（3）有模型變化的適應(yīng)能力69.FFC-FBC優(yōu)點：24.三、前饋—串級控制系統(tǒng)同樣對于前例的換熱器FFC-FBC系統(tǒng)，如果蒸汽流量不穩(wěn)定，無論FFC或FBC的效果都不能正常發(fā)揮。

解決辦法：串級控制前饋—串級控制系統(tǒng)，克服副回路蒸汽量F2的擾動。前饋補償環(huán)節(jié)：70.三、前饋—串級控制系統(tǒng)25.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系統(tǒng)，其對象干擾通道的傳遞函為，調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)為，反饋調(diào)節(jié)器用PID規(guī)律，試設(shè)計前饋調(diào)節(jié)器，并畫出前饋一反饋控制系統(tǒng)的方框圖。例：71.1、前饋控制系統(tǒng)適用于什么場合？有某前饋一反饋控制系答：前饋控制系統(tǒng)的特點是按照干擾作用的大小進行調(diào)節(jié)的，當(dāng)某一干擾出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器就對操縱變量進行調(diào)整，來補償干擾對被控變量的影響。它調(diào)節(jié)及時，并且不受系統(tǒng)滯后大小的限制。前饋調(diào)節(jié)器是開環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，前饋調(diào)節(jié)規(guī)律不能用PID，它是一種特殊的調(diào)節(jié)規(guī)律，適用于以下4種場合：1）滯后比較大的調(diào)節(jié)對象；2）時間常數(shù)很小的對象；3）非線性的調(diào)節(jié)對象；4）按計算指標進行調(diào)節(jié)的對象。

72.答：前饋控制系統(tǒng)的特點是按照干擾作用的大由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖73.由理想的前饋調(diào)節(jié)規(guī)律可知：方塊圖28.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b)、(c)所示三種情況的方塊圖，并比較這三種控制方案的特點。74.2、下圖所示為加熱爐的三種控制方案。試分別畫出(a)、(b

答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級控制系統(tǒng)。主變量為加熱爐出口溫度T，副變量為燃料油流量Q1引人副變量Q1的目的是為了及時克服由于燃料油壓力（流量）波動對主變量T的影響，以提高主變量T的控制質(zhì)量。

75.答：其方塊圖如圖所示。其中a）為典型的串級

圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油的出口溫度θ。綜合了前饋與反饋控制的優(yōu)點原油流量變化FC燃料油的加入量出口溫度的變化燃料量的加入量TC克服其它干擾克服主干擾76.圖b）為典型的前饋一反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的被控變量是原油

圖c串級控制：？？？雙重控制：？？？前饋-反饋控制：？？？前饋-串級控制：？？？77.圖c串級控制：？？？32.

兩個調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為FC的給定，形似串級控制，但并沒有副回路，只有一個反饋回路，執(zhí)行器的輸出并不能改變原油的流量，所以不能認為是一個串級控制系統(tǒng)。將(c)與(b)相比較，可知將圖(b)中的前饋調(diào)節(jié)器FC移到了控制回路內(nèi)，便成了圖(c)所表示的形式了。這時如將FC選擇為比例調(diào)節(jié)器，那么原油流量的變化仍能及時通過FC來改變?nèi)剂嫌偷牧髁浚鸬搅遂o態(tài)前饋作用，而TC能根據(jù)被控變量θ的變化起到反饋作用。圖c）是一種形似串級控制但實際上是一種前饋——反饋控制的非標準結(jié)構(gòu)形式。78.兩個調(diào)節(jié)器TC與FC串級工作，TC的輸出作為F三者的比較串級控制雙重控制前饋-反饋控制79.三者的比較34.串級控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的設(shè)定信號雙重控制：一個控制器輸出作為另一個控制器的測量信號前饋-反饋控制：一個控制的輸出與另一控制器的輸出信號疊加F1TCFCT10F2