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前馈控制系统
前馈控制系统的基本原理
前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信
号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。图 -1 物料出口温
度 需要维持恒定，选用反馈控制系统。若考虑干扰仅是物料流量 ，则可组成图 -2 前
馈控制方案。方案中选择加热蒸汽量 为操纵变量。
图 -1 反馈控制 图 -2 前馈控制
前馈控制的方块图，如图 -3。
系统的传递函数可表示为：
（-1）
式中 、 分别表示对象干扰
道和控制通道的传递函数； 为前馈控 图 -3 前馈控制方块图
制器的传递函数。
系统对扰动 实现全补偿的条件是：
时，要求 （-2）
将（1-2）式代入（1-1）式，可得
= （-3）
满足（1-3）式的前馈补偿装置使受控变量 不受扰动量
变化的影响。图 2-4-4 表示了这种全补偿过程。
在 阶跃干扰下，调节作用 和干扰作用 的响应曲
线方向相反，幅值相同。所以它们的合成结果，可使 达到 图 -4 前馈控制全补偿示意图
Q
sG
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)(
)(1 SGSGSG
SQ
SQ
PCffPD
)(sGPD )(sGPC
)(sG ff
Q
0)( sQ 0)( s
)(sG ff )(
)(
SG
SG
PC
PD
Q
Q c d
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理想的控制连续地维持在恒定的设定值上。显然，这种理想的控制性能，反馈控制系统是做
不到的。这是因为反馈控制是按被控变量的偏差动作的。在干扰作用下，受控变量总要经历
一个偏离设定值的过渡过程。前馈控制的另一突出优点是，本身不形成闭合反馈回路，不存
在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。
1．前馈控制与反馈控制的比较
图 -5 反馈控制方块图 图 -6 前馈控制方块图
由以上反馈控制系统与前馈控制系统方块图可知：
1)前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统
从图上可以看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上
的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发点形成闭合回路，成为“闭环”控制系统 。而
在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭
合环路，因此称其为“开环”控制系统 。
2)前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量
在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。
3)前馈需要专用调节器，反馈一般只要用通用调节器
由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，
通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许
被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。
4)前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰
前馈控制系统中若干扰量不可测量，前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中，任何
干扰，只要它影响到被控变量，都能在一定程度上加以克服。
5)前馈理论上可以无差，反馈必定有差
如果系统中的干扰数量很少，前馈控制可以逐个测量干扰，加以克服，理论上可以做到
被控变量无差。而反馈控制系统，无论干扰的多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，
产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。
前馈控制系统的几种结构形式
1．静态前馈
由（1-3）式求得的前馈控制器，它已考虑了两个通道的动态情况，是一种动态前馈补
偿器。它追求的目标是受控变量的完全不变性。而在实际生产过程中，有时并没有如此高的
要求。只要在稳态下，实现对扰动的补偿。令（1-3）式中的 S 为 0，即可得静态前馈控制
算式：
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（-4）
利用物料（或能量）衡算式，可方便地获取较完善的静态前馈算式。例如，图 2-4-2 所示的
热交换过程，假若忽略热损失，其热平衡关系可表述为：
（-5）
式中 ——物料比热
——蒸汽汽化潜热
——物料量流量
——载热体（蒸汽）流量
——换热器入口温度
——换热器出口温度
由（-5）式可解得：
（-6）
用物料出口温度的设定值 代替上式中的 ，可得
= （-7）
上式即为静态前馈控制算式。相应的控制流程示于图 2-4-7
图 -7 换热器的静态前馈控制
图中虚线框表示了静态前馈控制装置。它是多输入的，能对物料的进口温度、流量和出
口温度设定值作出静态前馈补偿。由于在（-7）式中，Q 与（θ1i-θ2）是相乘关系，所以
这是一个非线性算式。由此构成的静态前馈控制器也是一种静态非线性控制器。
)0(
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)0(
PC
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ff G
G
G
ssip HGQC )( 0
pC
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0
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C
QG
10 0
sG )( 10 I
S
P
H
C
Q
54
应该注意到，假若（-5）式是对热平衡的确切描述的话，那么由此而构筑的非线性
前馈控制器能实现静态的全补偿。对变量间存在相乘（或相除）关系的过程，非线性是很严
重的，假若通过对它们采用线性化处理来设计线性的前馈控制器，则当工作点转移时，往往
会带来很大误差。
在化工工艺参数中，液位和压力反映的是流量的积累量，因此液位和压力的前馈计算一
般是线性的。但是温度和成分等参数它们代表流体的性质，其前馈计算常以非线性面目出现。
从采用前馈控制的必要性来看，一般是温度和成分甚于液位和压力。一方面是由于稳定前者
的重要性往往甚于后者，另一方面温度和成分对象一般有多重滞后，仅采用反馈调节，质量
还会不和要求。增加前馈补偿是改进控制的一条可行途径。对温度和成分控制应考虑采用非
线性运算和动态补偿。图 —7 中的前馈补偿器输出是作为蒸汽流量回路的设定值。设置
蒸汽流量回路是必要的，它可以使蒸汽流量按前馈补偿算式（-7）式的要求进行精确跟
踪。
2．前馈—反馈控制系统
在理论上，前馈控制可以实现受控变量的不变性，但在工程实践中，由于下列原因，前
馈控制系统依然会存在偏差。
1）实际的工业对象会存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加控制系统投资费用
和维护工作量。因而一般仅选择几个主要干扰作前馈通道。这样设计的前馈控制器对其它干
扰是丝毫没有校正作用的。
2）受前馈控制模型精度限制。
3）用仪表来实现前馈控制算式时，往往作了近似处理。尤其当综合得到的前馈控制算
式中包含有纯超前环节 或纯微分环节 时，它们在物理上是不能实现的，构筑的
前馈控制器只能是近似的：如将纯超前环节处理为静态环节，将纯微分环节处理为超前滞后
环节。
前馈控制系统中，不存在受控变量的反馈，也即对于补偿的效果没有检验的手段。因此，
如果控制的结果无法消除受控变量的偏差，系统也无法获得这一信息而作进一步的校正。为
了解决前馈控制的这以局限性，在工程中往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈—反馈
控制系统。这样既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对
受控变量最终检验的长处，是一种适合化工过程控制、较有发展前途的控制方法。换热器的
前馈——反馈控制系统及其方块图分别表示在图 -8 和图 -9。
图 -8 换热器的前馈—反馈控制系统 图 -9 前馈—反馈控制系统方块图
se )1( sTD
55
图 -9 所示前馈—反馈控制系统的传递函数为
= （-8）
应用不变性原理条件 时，要求 ，代入（-8）式，可导出前馈
控制器的传递函数为
（-9）
比较（-9）式和（-3）式可知，前馈—反馈控制与纯前馈控制实现“全补偿”的算式是
相同的。
前馈—反馈系统具有下列优点：
从前馈控制角度，由于增添了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对
未选作前馈信号的干扰产生校正作用。
从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对干扰作了及时的粗调作用，大大减小了控制
的负担。
3．前馈—串级控制系统
分析图 -6 换热器的前馈—反馈控制系统可知，前馈控制器的输出与反馈控制器的输
出叠加后直接送至控制阀，这实际上是将所要求的物料量 F 与加热蒸汽量 FS 的对应关系，
转化为物料流量与控制阀膜头压力间的关系。这样为了保证前馈补偿的精度，对控制阀提出
了严格的要求，希望它灵敏、线性及尽可能小的滞环区。此外还要求控制阀前后的压差恒定，
否则，同样的前馈输出将对应不同的蒸汽流量，这就无法实现精确的校正。为了解决上述两
个问题，工程上将在原有的反馈控制回路中再增设一个蒸汽流量副回路，把前馈控制器的输
出与温度控制器的输出叠加后，作为蒸汽流量控制器的给定值。
图 -10 前馈—串级控制系统
图 -11 前馈—串级控制系统方框图
)(
)(0
sQ
s
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sG
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PCC
PD
0)( sQ 0)(0 s
)(
)(
)(
sG
sG
sG
PC
PD
ff
56
（-10）
因为串级系统最佳设计 则 ≈1，
根据不变性原理当
则 （-12 ）
-12 曲线图
前馈控制规律的实施
1. 系统设计
对可测不可控的干扰，变化幅度大，且对被调参数影响大，工艺指标要求严格工艺要求
实现参数间的某种特殊关系，即按某一种数学模型来进行调节
2. 前馈补偿装置的控制算法
通过对前馈控制系统的几种典型结构形式的分析可知，前馈控制器的控制规律取决于对
象干扰通道与控制通道的特性。由于工业对象的特性极为复杂，这就导致了前馈控制规律的
形式繁多，但从工业应用的观点看，尤其是应用常规仪表组成的控制系统，总是力求控制仪
表的模式具有一定的通用性，以利于设计、运行和维护。实践证明，相当数量的工业对象都
具有非周期性与过阻尼的特性，因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个
纯滞后环节来近似它。
（-13）
⑴超前滞后环节
（-14）
（-15） 图 -13 超前滞后环节的等效图
⑴ 纯滞后补偿
(-16)
)()(1
)()(
)()(1
)(
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22
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11
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sGsG
sGsG
sG
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sGsG
sGsG
sGsG
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S
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sf
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当 较 小 时 ， =
（-17）
（-18）
上式所示为带有纯滞后的“超前—滞后”前馈控制规律，其纯滞后环节按
（-19）
近似展开。
此种“超前—滞后”前馈补偿模型，已成为目前广泛应用的一种动态前馈补偿模式。这
种通用型前馈控制模型在单位阶跃作用下的输出特性为：
（-20）
式中， ， <1， < 过补偿； >1， > 欠补偿。
相应于 <1 与 >1 的时间特性曲线示于图 -14 及 -15。
图 -14 过补偿 （ <1） 图 -15 欠补偿（ >1）
由图可见，当 >1 时，即 > ，前馈补偿带有超前特性，适用于对象控制通道滞后
(这里的滞后是指容量滞后，即时间常数)大于干扰通道滞后。而若 <1 时，即 < ，潜
亏补偿带有滞后性质，适用于控制通道的滞后小于干扰通道的滞后。
f
2
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2
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