3.2 前馈控制系统
在前面讨论的控制系统中，都是按偏差来进行控制的反馈控制系统，不论是什么干扰引起被控变量的变化，控制器均可根据偏差进行调节，这是反馈控制的优点；但反馈控制也有一些固有缺点：对象总存在滞后惯性，从扰动作用出现到形成偏差需要时间。当偏差产生后，偏差信号遍及整个反馈环路产生调节作用去抵消干扰作用的影响又需要一些时间。也就是说，反馈控制根本无法将扰动克服在被控变量偏离给定值之前，调节作用总不及时，从而限制了调节质量的进一步提高。另外，由于反馈控制构成一闭环系统，信号的传递要经过闭环中的所有储能元件，因而包含着内在的不稳定因素。为了改变反馈控制不及时和不稳定的内在因素，提出一种前馈控制的原理。在此介绍前馈控制的基本原理及其应用。
3.2.1 基本原理
前馈控制又称扰动补偿，它是一种与反馈控制原理完全不同的控制方法。前馈控制的基本概念是测量进入过程的干扰（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，使被控变量维持在设定值上。下面举例说明前馈控制系统。
图3-8是一个换热器的温度控制示意图。加热蒸汽通过换热器中排管的外部，把热量传给排管内流过的被加热流体，它的出口温度T用蒸汽管路上的控制阀来加以控制。引起温度改变的扰动因素很多，其中主要的扰动是被加热物料的流量qV。
图3-8 换热器前馈控制示意图
当流量qV发生扰动时，出口温度T就会受到影响，产生偏差。如果用一般的反馈控制，控制器只根据被加热液体出口温度T的偏差进行调节，则当qV发生扰动后，要等到T变化后控制器才开始动作。而控制器控制阀门，改变加热蒸汽的流量以后，又要经过热交换过程的惯性，才使出口物料温度T变化而反映控制效果。这就可能使出口温度T产生较大的动态偏差。如果根据被加热的物料流量qV的测量信号来控制阀门，那么当qV发生扰动后，就不必等到流量变化反映到出口温度以后再去进行操作。而是可以根据流量的变化，立即对控制阀进行操作，甚至可以在出口温度T还没有变化前就及时将流量的扰动补偿了。这就提出了在原理上不同的控制方法——前馈控制，这个自动控制装置就称为前馈控制器或扰动补偿器。前馈控制系统可以用如图3-9的方框图表示。
图3-9 前馈控制方框图
从图3-9可以看出，扰动作用到输出被控变量c之间存在着两个传递通道：一个是d从对象扰动通道Gd去影响被控变量c；另一个是从d出发经过测量装置和补偿器产生调节作用，经过对象的调节通道Gp去影响被控变量c。调节作用和扰动作用对被控变量的影响是相反的。这样，在一定条件下，就有可能使补偿通道的作用很好地抵消扰动d对被控对象的影响，使得被控变量c不依赖于扰动d。这里，首先要求测量装置要十分精确地测出扰动d，还要求对被控对象特性有充分的了解，以及这个补偿装置的调节规律是可以实现的。在满足了这些条件之后，才有可能完全抵消扰动d对c的影响。
把前馈控制与反馈控制加以比较可以知道，在反馈控制中，信号的传递形成了一个闭环系统，而在前馈控制中，则只是一个开环系统。闭环系统存在一个稳定性的问题，控制器参数的整定首先要考虑这个稳定性问题。但是，对于开环控制系统来讲，这个稳定性问题是不存在的，补偿的设计主要是考虑如何获得最好的补偿效果。在理想情况下，可以把补偿器设计到完全补偿的目的，即在所考虑的扰动作用下，被控变量始终保持不变，或者说实现了“不变性”原理。
根据图3-9有如下的前馈控制计算公式
（3-1）
式中 Gd（s），Gp（s）——分别为扰动通道和控制通道的传递函数；
Gf（s）——前馈补偿器传递函数。
要实现全补偿时，则必须C（s）=0，同时D（s）≠0，于是得到
（3-2）
满足式（3-2）的前馈补偿装置可以使被控变量不受扰动的影响。
例如：精馏塔进料受前工序影响而波动，它影响精馏塔的稳定运行，因此可以用进料量作为前馈信号，开环控制再沸器的加热蒸汽量；也可以用该前馈信号，开环控制回流量或塔顶出料量。
如图3-10所示为精馏塔单纯前馈控制的示意图。图3-10（a）是进料信号作为单纯前馈信号，控制再沸器加热蒸汽控制阀门开度。图3-10（b）是进料单纯前馈信号，作为再沸器加热蒸汽单回路控制系统的设定值。这相当于单闭环定比值控制系统。图3-10中，FY是前馈控制器；FT是流量检测变送器；FC是流量控制器。
图3-10 精馏塔单纯前馈控制示意图
3.2.2 主要结构形式
①静态前馈控制 由式（3-2）求得的前馈控制器，已经考虑了两个通道的动态情况，是一种动态前馈补偿器。它追求的目标是被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，实现对扰动的完全补偿就可以了。令式（3-2）中的s为0，即可得到静态前馈补偿算式
（3-3）
利用物料（或能量）平衡算式，可方便地获取较完善的静态前馈算式。例如，图3-8所示的热交换过程，假若忽略热损失，其热平衡过程可表述为
qVcp（T- Ti）=GsHs （3-4）
式中 cp——物料比热容；
T——物料出口温度；
Ti——物料入口温度；
Gs——蒸汽流量；
Hs——蒸汽汽化热。
由式（3-4）可解得
（3-5）
用物料出口温度的设定值To代替式（3-5）中的T，可得
（3-6）
式（3-6）即为静态前馈控制算式。相应的控制流程示于图3-11中。图中虚线方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补偿。
图3-11 换热器的静态前馈控制流程图
如前所述，前馈控制器（即补偿器）在测出扰动量以后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值，这种校正作用只能保证在稳态下补偿扰动作用，一般称为静态前馈。
②动态前馈控制 静态前馈控制只能保证被控变量的静态偏差接近或等于零，并不能保证动态偏差达到这个要求，尤其是当对象的控制通道和干扰通道的动态特性差异很大时。而动态前馈控制则可实现被控变量的动态偏差接近或等于零，其是在静态前馈控制基础上加上动态前馈补偿环节，实施方案如图3-12所示。
图3-12 动态前馈控制实施方案
为了获得动态前馈补偿，必须考虑被控对象的动态特性，从而确定前馈控制器的规律。但是考虑到工业被控对象的动态特性千差万别，如果根据被控对象特性来设计前馈控制器，较难实现。因此，可在静态前馈控制的基础上，加上延迟环节或微分环节，以达到干扰作用的近似补偿。在这种前馈控制器中，存在三个重要的调整参数K，T1，T2。其中，K是放大系数，是为了静态补偿用的；T1和T2分别表示延迟作用和微分作用的延迟时间和微分时间。相对于干扰通道而言，控制通道反应快的应加强延迟作用，反应慢的应加强微分作用。也就是说，结合干扰通道和控制通道的各自特性，对延迟时间和微分时间进行参数调整，以实现动态前馈补偿，减低甚至消除被控变量的动态偏差。因此，动态前馈控制是当对象的控制通道和干扰通道的动态特性差异很大时才使用。
③前馈-反馈控制系统 在理论上，前馈控制可以实现被控变量的不变性，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。
ⅰ.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他干扰是丝毫没有校正作用的。
ⅱ.受前馈控制模型精度限制，模型的误差将导致非完全补偿，使被控变量最终存在偏差。
ⅲ.用仪表实现前馈控制时，往往作了近似处理，尤其当综合得到的前馈控制算式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，构成的前馈控制器只能是近似的。
前馈控制系统中，不存在被控变量的反馈，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被控变量的偏差，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一局限性，在工程上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被控变量最终检验的长处，是一种适合化工过程控制的控制方法。图3-13所示为换热器的前馈-反馈控制系统。
图3-13 换热器前馈-反馈控制系统
系统的被控变量是换热器出口被加热流体温度。由于换热器入口流体流量是引起换热器出口被加热流体温度变化的主要干扰，所以一旦入口流量变化，通过前馈补偿装置（即前馈控制器），及时调整加热蒸汽量，以克服入口流量变化对出口温度的影响。同时，被加热流体出口温度的变化又能通过反馈控制器来调整加热蒸汽量，以克服其他干扰对出口温度的影响。这种典型的前馈-反馈控制综合了前馈与反馈控制的优点，既发挥了前馈控制及时克服主要干扰的优点，又保持了反馈控制能克服多种干扰，始终保持被控变量等于给定值的优点。因此，是一种较为理想的控制方式。
前馈-反馈控制系统具有下列优点。
ⅰ.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。
ⅱ.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，大大减轻了反馈控制的负担。
对于图3-13的前馈-反馈控制系统，为了提高前馈控制的精度，还可以增添一个蒸汽流量的闭合回路，使前馈控制器的输出改变这个流量回路的设定值。这样构成的系统称为前馈-串级控制系统，其方框图如图3-14所示。
图3-14 换热器前馈-串级控制系统方框图
除上述两种前馈控制系统外，还有多变量前馈控制等。多变量前馈控制系统是具有多个输入和多个输出的系统，控制形式计算复杂，构成较难，在此不再详细讨论。
3.2.3 参数整定
由于前馈控制器的控制效果受被控对象特性的测试精度、测试工况与在线运行时的情况差异以及前馈装置的制作精度等因素的影响，使得控制效果往往不够理想。因此，必须对前馈控制器进行在线整定。前馈控制器最常用的模型为
，本节针对该模型进行静态参数Kf和动态参数T1、T2的整定方法介绍。
（1）静态参数Kf的整定
静态参数Kf分开环和闭环两种整定方法。
①开环整定法 开环整定针对的是系统处于单纯静态前馈运行状态，在干扰信号下，调整静态参数Kf值（由小到大逐步增大），直到被控变量接近设定值，所对应的静态参数Kf称为最佳整定值。开环整定法的前提是系统处于单纯静态前馈运行状态，故开环整定过程中并没有被控变量控制的反馈，为了防止被控变量远远偏离设定值（静态参数Kf值过大）而导致生产过程不正常甚至产生事故，在静态参数Kf值整定中，应逐步由小到大进行调整。另注意：为了减小其他干扰量对被控变量控制的影响，参数整定时应保证工况稳定。
②闭环整定法 考虑到开环整定法易影响生产的正常进行以及安全性无法保障，因而在实际应用中较少，工程上往往采用较多的是闭环整定法。闭环整定法是在反馈系统已经整定完成的基础上，再施加相同的干扰作用，通过由小到大逐步调整静态参数Kf值，使被控变量回到设定值上。图3-15显示了静态参数Kf值过小、合适和过大三种情况下，对补偿过程的三种影响：欠补偿、合适补偿和过补偿。
图3-15 Kf值对补偿过程的影响
（2）动态参数T1和T2的整定
动态参数的整定决定了动态补偿的程度，但由于前馈控制器动态参数的整定较复杂，仍处于定性分析阶段，大多数情况下，主要依靠经验进行动态参数T1和T2的整定。
动态参数T1和T2存在一些原则性的调整：
T1>T2时：前馈控制器在动态补偿过程中起超前作用。
T1=T2时：前馈控制器在动态补偿过程中不起作用，即只有静态前馈作用。
T1<T2时：前馈控制器在动态补偿过程中起滞后作用。
因此，动态参数T1和T2分别称为超前时间和滞后时间。根据校正作用在时间上是超前或滞后，可以决定T1/T2的数值。当T1/T2数值过大时，可能造成过补偿，使过渡过程曲线反向超调过高。因此，为了保障生产过程的安全性，应从欠补偿方式开始整定前馈控制器的动态参数，逐步提高T1/T2数值，使过渡过程曲线逐次试凑逼近设定值。也可在初次整定时，先试取T1/T2=2（超前）或T1/T2=0.5（滞后）数值，施加干扰，观察补偿过程。根据过渡过程曲线的变化趋势，再调整T1或T2使补偿过程曲线达到上、下偏差面积相等，最后调整T1/T2数值，直到获得平坦的补偿过程曲线为止。