第七章 前馈及复合控制系统其他反馈控制的缺点：
无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。
被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故限制了控制作用的充分发挥。
§ 7-1 基本概念
1、问题的提出
2、技术思路
直接按扰动而不是按偏差进行控制。
干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。
这种 前馈控制系统 对干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。
3、工作原理
用右图针对反馈控制做比较说明。
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补偿过程如下图所示。
可实现对扰动的完全补偿，使被控量成为对扰动绝对不灵敏的系统。（不变性原理）
其中 Ma为扰动量,T2为出口温度,GO(s)为控制通道的传递函数,Gf(s)为前馈通道的传递函数,Gd(s)为干扰通道的传递函数。
7 7
)(sGp
)(sGd
)(sGff
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4、前馈与反馈的比较
(1),检测,前 馈 控制 测 干 扰 ；反 馈 控制 测 被控量。
(2),效果,克服干 扰,前 馈 控制及 时,理 论 上可实现 完全 补偿 ；反 馈 控制不及 时 。
(3),经济性,克服干 扰,前 馈 控制只能一 对一，不如反 馈 控制 经济 。
(4),稳定性,前 馈为开环,不存在此 问题 ；
反 馈则 不同,稳 定性 与 控制精度是矛盾的。
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§ 7-2 前馈控制系统的结构形式控制器的输出仅仅是输入 F的函数，与时间 t无关。
在图 7-12中，令前馈控制器传函满足下式即可：
一、静态前馈控制
静态前馈的含义
p
d
ffff K
KKsG)(
)(sGff
)(sGp
)(sGd
D(s)
7
0)()()()()()( sDsGsGsGsDsY pffd
二、动态前馈控制
静态前馈控制只能有效抑制静态偏差；
动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差；而且能有效抑制动态偏差。
1、问题及办法
2、原理,如右图，其中 Gff(S)非纯比例环节。
)(sGff
)(sGp
)(sGd
D(s)
动态 前 馈 控制能 显 著提高系 统 的控制 质 量，但结构 和 参数 整定均比 较复杂 。
只适用于控制精度要求很高、反 馈与静态 前 馈难 于 满 足 时 。
三、复合控制系统亦称为前馈 --反馈控制系统。
1、方法的提出
前馈控制是有局限性的：
① 对补偿结果无法检测；
② 难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置；
③ 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。
3、特点及适用性
复合控制的 好处,既发挥了前馈校正及时的优点，
又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。
2、组成原理及结构图,
2009-7-30
)(sG ff )(sGc
)()(1
)()()(
)(
)(
sGsG
sGsGsG
sD
sY
pc
pffd
0)(,0)( sYsD
)(
)()(
sG
sGsG
o
dff
在干扰 D（ s)的作用下，对输出 Y（ s)的完全补偿条件
)(sGc )(sGc)(sGp
)(sGff )(sGd
D D
)(sGff
)(sGd
)(sGp
3、特点
① 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。（令 Y
(s)/D(s)=0即可。）
② 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性。
4、前馈 --反馈控制的优点
① 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯前馈控制系统。
② 降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。
③ 比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。
因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。
为了保证前馈控制的精度，常希望控制阀灵敏、
线性等；
采用串级控制系统可满足以上要求。
四、前馈 --串级控制系统
1、方法的提出 2、原理与结构图
)(sGff
)(1 sGc )(2 sGc )(2 sGp )(1 sGp
)(sGd
D
实现对扰动全补偿的条件为
)()()(
)()(1
)()(
1
)(
)()(1
)()(
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)(
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11
22
22
1
22
22
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sGsG
sG
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sGsG
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pc
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H（ s)
＝ 0
)()()(
)]()(1)[()(
122
22
sGsGsG
sGsGsGsG
ppc
pcd
ff
2009-7-30
在系统中引入前馈控制系统应遵循以下原则：
1：系统的扰动量是可测不可控的
2：系统中的扰动量变化幅值大、频率高
3：控制系统的滞后时间较大或干扰通道的时间常数较小。
P171
1,预估补偿,原理上能消除 纯滞 后 对 控制系 统 的 动态 影 响,
但需被控 过 程的精确模型，工程上往往 难 以 实现 。
§ 7－ 2 大滞后补偿控制一：
克服纯滞后的几种常见方案
2,采样控制,成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。
3,改进型常规控制,具有通用性广等特点，目前较常用。
4,其他,大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
是一 种 比 较简单,工程上易 实现,又能 满 足一定控制 质 量 要求 的控制方案。
对 降低超 调 量更有 显 著的效果。
一）、微分先行控制方案
1、特点
2、组成结构
一般常规 PID控制方案：见下张图 6-1。
微分先行控制方案,见下张 图 6-2。
二,改进型常规控制方案
sp esG)(
s
p esG
)(
sp esG)(
sp esG)(
3、传递函数 （随动特性与抗扰动性能）
一般常规 PI＋ D：式 (1)、式 (2)。
)1()1)(1()( )1)(1()( )( 1
s
DIcPI
s
DIc
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eTsTk
sR
sY
)2()1)(1()()( )( 1
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DIcPI
s
I
esTsTkssGT
seT
sD
sY
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sp esG)(
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微分先行,式 (3)、式 (4)。
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s
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I
esTsTkssGT
seT
sD
sY
微分先行较常规 PI＋ D少了一个零点 Z=1/TD,故超调量要小一些。
二、中间反馈控制方案
使控制系 统闭环传递 函 数极 点位置 发 生 变 化，
从 而使超 调 量大大下降，控制 质 量得到改善。
微分作用是 独 立的，能及 时 起校正作用。
1、特点
2、原理方案
sp esG)(
3、控制效果：
与 一般常 规 控制 对 比：
（ 1）、在 给 定 值变 化 时,无 论 是微分先行方案，或中 间 反 馈 控制方案，其控制 过 程的品 质 均 优于常 规 PID,尤其在 减 小超 调 量方面效果更佳。。
（ 2）、在 扰动 作用下，其控制品 质与 常 规 PID
相差不大。
2009-7-30
：微分先行 较 常 规 PI＋ D少了一 个 零点 Z
=1/TD,故超 调 量要小一些。
4、过渡过程比较：
区别
在 PID控制回路上再 并联 一 个补偿 回路，以抵消 对 象的 纯滞 后因素。
1、特点
2、原理结构
单回路控制系统：
三,预估控制方案
)(sGc sp esG)(
史密斯补偿原理：如下图所示。
)(sGc sp esG)(
)(sGp
)(sGd
D(s)
SMITH
预估器设计思想：预先估计出过程在基本扰动下的动态响应，然后由预估器进行补偿，试图使被延迟了?
的被控量超前反馈到控制器，控制器提前动作，
从而大大降低超调量，并加速调节过程。
2009-7-30
SMITH预估器的传递函数为 )1)(()(' spp esGsG
)(sGc sp esG)(
)(sGp
)(sGd
D(s)
SMITH
预估器整个系统的闭环传递函数为
)()(1
)()(
)(
)(
sGsG
esGsG
sR
sY
pc
s
pc
)()(1
)]1)(()(1)[(
)(
)(
sGsG
esGsGsG
sR
sY
pc
s
pcd
系统的闭环特征方程中不再含有纯滞后环节
se
采用 SMITH预估补偿控制方法可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。
3、控制效果：
控制器接受的测量信号比实际检测到的被控量提前了时间?，是一个对被控量的预估器。
4、工业应用举例：
加 热炉温 度 预 估补偿 控制第八章 过程控制中的计算机应用专用 工 业 控制机 与 一般的 计 算机相比 较,具有以下 特点 ；
1、可靠性高,一般要求 连续 无故障 运 行 时间达 几千小 时 以上，
同 时 平均故障 时间 要短 (一次故障 时间 不超 过 几分 钟 )。
2,对计 算机的 速度和精度要求较低 (相 对 而言 )：因 为 工 业生 产过 程往往是一 个 慢 过 程，而且提高速度的主要矛盾在于 输 入、
输 出 设备 。每秒几十万次的 运 算速度一般均能 满 足 过 程控制的要求。
3,输 入,输 出等 外围设备较完善,除了常用的外 围设备,还要有包括不同 数 度的 I/O部件,记录,显 示等 设备 。
§ 8-1 控制机的特点
4、实时响应性要好,在某一限定 时间内 必须 完成 规 定的 处 理任 务 。
5、中断系统比较完善,一旦出现中断请求，就暂停执行现行的程序，而去执行中断请求的相应程序。
6、具有丰富的指令系统,尤其是逻辑判断指令和外围设备的控制指令。
7、有 正确反映生产过程的 数学模型 (控制算法 )：
为了寻求生产过程中的最优工况，实现最优控制，必须建立正确反映生产过程规律的数学模型。 (实现高级控制的前提。 )
8、有比较完善的软件系统,操作系统、应用软件。
§ 8-2 微机过程控制系统的组成计算机过程控制系统的典型构成如下图所示。
其基本 硬件 组成如 下 图所示。
1、主机
2、过程接口,输入、输出；模拟量、开关量。
3、外围设备,输入设备、输出设备、外存储器。
4、自动化仪表,过程通道必须通过自动化仪表才能和贝卡被控过程发生联系。
5、软件系统,程序设计系统、操作系统、监控系统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。
6、应用软件,是用户根据具体的生产工艺要求完成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。
上图包括：
对于不同的被控过程和生产工艺，其控制方案是不同的。
1,巡回检测与数据处理,
如右图。
对工业过程参数经采样、
A/D转换、送计算机，处理后进行显示、打印、
越限报警,
计算
§ 8-3 微机过程控制系统典型的应用方式
2、直接数字控制 (DDC)系统,
原理图和组成方框图分别如以下图所示。
由图可见，微型计算机取代了模拟调节器，对生产过程直接进行控制。直接数字控制系统是最普遍的一种应用形式。
3、监督控制 (SCC)系统,
DDC系统中的设定值是预先给定并存入内存的，不能随生产负荷、操作条件和工艺信息变化而及时进行修正，因而不能使生产处于最优工况。
在下图所示的 SCC系统中，计算机根据各种工艺参数以及各参数间的相互关系；
或根据最优化数学模型，计算出各被控参数的最佳给定值，利用计算机自动调整模拟调节器的给定值；
或可调参数值，或由第二极计算机监控第一级 DDC
系统，使生产处于最优工况。
早期的控制方式。一旦计算机出故障，仍能由模拟调节器维持生产过程的正常进行。
在上图中，第二级计算机根据最优化数学模型，计算出被控参数的给定值，以监督第一级 DDC系统的工作。
不仅要完成生产过程的在线控制任务，还要进行现代化的集中管理。
利用小型或微型计算机进行
DDC控制，再用中型或大型计算机完成现代化企业管理。
通过高速通信线路 ---网络，
使各部门协调地进行工作。
4、集散控制系统 (分散控制系统 DCS)：
§ 8-4 信号采集、数字滤波及数据处理
1、采样周期,T0<=T/2 ； 经验值。
2、模拟量的数字化,如下图所示,
3、数据采集,当模入点数不多时，可通过输入指令逐点读入；当模入点数较多时，可利用数据通道直接把一批数据送到内存指定的缓冲区，以节省时间。
一、信号采集
1、程序判断滤波
2、递推平均滤波 (算术平均滤波 ):见下图。
3、加权递推加权平均滤波 (滑动平均值法 )
4、一阶惯性滤波二、数字滤波
2009-7-30
§ 8-5 科研实例
1、聚酯树脂生产过程控制 —— 东方绝缘材料厂项目
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2、旋转流管式膜微滤净水过程控制系统
—— 省级重点实验室项目
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思考题
1、与一般的通用机相比，控制机有哪些主要特点？
2、为什么控制机可靠性要求很高而对其运算速度和精度的要求较低？
无法将干扰克服在被控制量偏离设计值之前。
被控对象总是存在一定的纯滞后和容量滞后，故限制了控制作用的充分发挥。
§ 7-1 基本概念
1、问题的提出
2、技术思路
直接按扰动而不是按偏差进行控制。
干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，控制器就产生了控制作用。
这种 前馈控制系统 对干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。
3、工作原理
用右图针对反馈控制做比较说明。
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补偿过程如下图所示。
可实现对扰动的完全补偿，使被控量成为对扰动绝对不灵敏的系统。（不变性原理）
其中 Ma为扰动量,T2为出口温度,GO(s)为控制通道的传递函数,Gf(s)为前馈通道的传递函数,Gd(s)为干扰通道的传递函数。
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)(sGp
)(sGd
)(sGff
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4、前馈与反馈的比较
(1),检测,前 馈 控制 测 干 扰 ；反 馈 控制 测 被控量。
(2),效果,克服干 扰,前 馈 控制及 时,理 论 上可实现 完全 补偿 ；反 馈 控制不及 时 。
(3),经济性,克服干 扰,前 馈 控制只能一 对一，不如反 馈 控制 经济 。
(4),稳定性,前 馈为开环,不存在此 问题 ；
反 馈则 不同,稳 定性 与 控制精度是矛盾的。
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§ 7-2 前馈控制系统的结构形式控制器的输出仅仅是输入 F的函数，与时间 t无关。
在图 7-12中，令前馈控制器传函满足下式即可：
一、静态前馈控制
静态前馈的含义
p
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ffff K
KKsG)(
)(sGff
)(sGp
)(sGd
D(s)
7
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二、动态前馈控制
静态前馈控制只能有效抑制静态偏差；
动态前馈控制不但能有效抑制静态偏差；而且能有效抑制动态偏差。
1、问题及办法
2、原理,如右图，其中 Gff(S)非纯比例环节。
)(sGff
)(sGp
)(sGd
D(s)
动态 前 馈 控制能 显 著提高系 统 的控制 质 量，但结构 和 参数 整定均比 较复杂 。
只适用于控制精度要求很高、反 馈与静态 前 馈难 于 满 足 时 。
三、复合控制系统亦称为前馈 --反馈控制系统。
1、方法的提出
前馈控制是有局限性的：
① 对补偿结果无法检测；
② 难以对每个干扰均设计一套前馈控制装置；
③ 一个固定的前馈模型难以获得良好的控制质量。
3、特点及适用性
复合控制的 好处,既发挥了前馈校正及时的优点，
又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。
2、组成原理及结构图,
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在干扰 D（ s)的作用下，对输出 Y（ s)的完全补偿条件
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)(sGd
)(sGp
3、特点
① 实现前馈控制作用的完全补偿的条件不变。（令 Y
(s)/D(s)=0即可。）
② 不会因引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性。
4、前馈 --反馈控制的优点
① 只需对主要的干扰采用前馈补偿，大大简化了原来的纯前馈控制系统。
② 降低了对前馈控制精度的要求，为工程上实现简单的前馈补偿创造了条件。
③ 比纯反馈控制具有控制精度高、温度速度快的特点。
因而是前馈控制中广泛应用的控制系统。
为了保证前馈控制的精度，常希望控制阀灵敏、
线性等；
采用串级控制系统可满足以上要求。
四、前馈 --串级控制系统
1、方法的提出 2、原理与结构图
)(sGff
)(1 sGc )(2 sGc )(2 sGp )(1 sGp
)(sGd
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实现对扰动全补偿的条件为
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在系统中引入前馈控制系统应遵循以下原则：
1：系统的扰动量是可测不可控的
2：系统中的扰动量变化幅值大、频率高
3：控制系统的滞后时间较大或干扰通道的时间常数较小。
P171
1,预估补偿,原理上能消除 纯滞 后 对 控制系 统 的 动态 影 响,
但需被控 过 程的精确模型，工程上往往 难 以 实现 。
§ 7－ 2 大滞后补偿控制一：
克服纯滞后的几种常见方案
2,采样控制,成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。
3,改进型常规控制,具有通用性广等特点，目前较常用。
4,其他,大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
是一 种 比 较简单,工程上易 实现,又能 满 足一定控制 质 量 要求 的控制方案。
对 降低超 调 量更有 显 著的效果。
一）、微分先行控制方案
1、特点
2、组成结构
一般常规 PID控制方案：见下张图 6-1。
微分先行控制方案,见下张 图 6-2。
二,改进型常规控制方案
sp esG)(
s
p esG
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sp esG)(
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3、传递函数 （随动特性与抗扰动性能）
一般常规 PI＋ D：式 (1)、式 (2)。
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微分先行较常规 PI＋ D少了一个零点 Z=1/TD,故超调量要小一些。
二、中间反馈控制方案
使控制系 统闭环传递 函 数极 点位置 发 生 变 化，
从 而使超 调 量大大下降，控制 质 量得到改善。
微分作用是 独 立的，能及 时 起校正作用。
1、特点
2、原理方案
sp esG)(
3、控制效果：
与 一般常 规 控制 对 比：
（ 1）、在 给 定 值变 化 时,无 论 是微分先行方案，或中 间 反 馈 控制方案，其控制 过 程的品 质 均 优于常 规 PID,尤其在 减 小超 调 量方面效果更佳。。
（ 2）、在 扰动 作用下，其控制品 质与 常 规 PID
相差不大。
2009-7-30
：微分先行 较 常 规 PI＋ D少了一 个 零点 Z
=1/TD,故超 调 量要小一些。
4、过渡过程比较：
区别
在 PID控制回路上再 并联 一 个补偿 回路，以抵消 对 象的 纯滞 后因素。
1、特点
2、原理结构
单回路控制系统：
三,预估控制方案
)(sGc sp esG)(
史密斯补偿原理：如下图所示。
)(sGc sp esG)(
)(sGp
)(sGd
D(s)
SMITH
预估器设计思想：预先估计出过程在基本扰动下的动态响应，然后由预估器进行补偿，试图使被延迟了?
的被控量超前反馈到控制器，控制器提前动作，
从而大大降低超调量，并加速调节过程。
2009-7-30
SMITH预估器的传递函数为 )1)(()(' spp esGsG
)(sGc sp esG)(
)(sGp
)(sGd
D(s)
SMITH
预估器整个系统的闭环传递函数为
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)(
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sY
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pcd
系统的闭环特征方程中不再含有纯滞后环节
se
采用 SMITH预估补偿控制方法可以消除纯滞后环节对控制系统品质的影响。
3、控制效果：
控制器接受的测量信号比实际检测到的被控量提前了时间?，是一个对被控量的预估器。
4、工业应用举例：
加 热炉温 度 预 估补偿 控制第八章 过程控制中的计算机应用专用 工 业 控制机 与 一般的 计 算机相比 较,具有以下 特点 ；
1、可靠性高,一般要求 连续 无故障 运 行 时间达 几千小 时 以上，
同 时 平均故障 时间 要短 (一次故障 时间 不超 过 几分 钟 )。
2,对计 算机的 速度和精度要求较低 (相 对 而言 )：因 为 工 业生 产过 程往往是一 个 慢 过 程，而且提高速度的主要矛盾在于 输 入、
输 出 设备 。每秒几十万次的 运 算速度一般均能 满 足 过 程控制的要求。
3,输 入,输 出等 外围设备较完善,除了常用的外 围设备,还要有包括不同 数 度的 I/O部件,记录,显 示等 设备 。
§ 8-1 控制机的特点
4、实时响应性要好,在某一限定 时间内 必须 完成 规 定的 处 理任 务 。
5、中断系统比较完善,一旦出现中断请求，就暂停执行现行的程序，而去执行中断请求的相应程序。
6、具有丰富的指令系统,尤其是逻辑判断指令和外围设备的控制指令。
7、有 正确反映生产过程的 数学模型 (控制算法 )：
为了寻求生产过程中的最优工况，实现最优控制，必须建立正确反映生产过程规律的数学模型。 (实现高级控制的前提。 )
8、有比较完善的软件系统,操作系统、应用软件。
§ 8-2 微机过程控制系统的组成计算机过程控制系统的典型构成如下图所示。
其基本 硬件 组成如 下 图所示。
1、主机
2、过程接口,输入、输出；模拟量、开关量。
3、外围设备,输入设备、输出设备、外存储器。
4、自动化仪表,过程通道必须通过自动化仪表才能和贝卡被控过程发生联系。
5、软件系统,程序设计系统、操作系统、监控系统和诊断系统等，通常由计算机制造厂家提供。
6、应用软件,是用户根据具体的生产工艺要求完成某种控制功能所必须的软件，由用户自编。
上图包括：
对于不同的被控过程和生产工艺，其控制方案是不同的。
1,巡回检测与数据处理,
如右图。
对工业过程参数经采样、
A/D转换、送计算机，处理后进行显示、打印、
越限报警,
计算
§ 8-3 微机过程控制系统典型的应用方式
2、直接数字控制 (DDC)系统,
原理图和组成方框图分别如以下图所示。
由图可见，微型计算机取代了模拟调节器，对生产过程直接进行控制。直接数字控制系统是最普遍的一种应用形式。
3、监督控制 (SCC)系统,
DDC系统中的设定值是预先给定并存入内存的，不能随生产负荷、操作条件和工艺信息变化而及时进行修正，因而不能使生产处于最优工况。
在下图所示的 SCC系统中，计算机根据各种工艺参数以及各参数间的相互关系；
或根据最优化数学模型，计算出各被控参数的最佳给定值，利用计算机自动调整模拟调节器的给定值；
或可调参数值，或由第二极计算机监控第一级 DDC
系统，使生产处于最优工况。
早期的控制方式。一旦计算机出故障，仍能由模拟调节器维持生产过程的正常进行。
在上图中，第二级计算机根据最优化数学模型，计算出被控参数的给定值，以监督第一级 DDC系统的工作。
不仅要完成生产过程的在线控制任务，还要进行现代化的集中管理。
利用小型或微型计算机进行
DDC控制，再用中型或大型计算机完成现代化企业管理。
通过高速通信线路 ---网络，
使各部门协调地进行工作。
4、集散控制系统 (分散控制系统 DCS)：
§ 8-4 信号采集、数字滤波及数据处理
1、采样周期,T0<=T/2 ； 经验值。
2、模拟量的数字化,如下图所示,
3、数据采集,当模入点数不多时，可通过输入指令逐点读入；当模入点数较多时，可利用数据通道直接把一批数据送到内存指定的缓冲区，以节省时间。
一、信号采集
1、程序判断滤波
2、递推平均滤波 (算术平均滤波 ):见下图。
3、加权递推加权平均滤波 (滑动平均值法 )
4、一阶惯性滤波二、数字滤波
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§ 8-5 科研实例
1、聚酯树脂生产过程控制 —— 东方绝缘材料厂项目
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2、旋转流管式膜微滤净水过程控制系统
—— 省级重点实验室项目
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思考题
1、与一般的通用机相比，控制机有哪些主要特点？
2、为什么控制机可靠性要求很高而对其运算速度和精度的要求较低？
