前馈控制、反馈控制及前馈-反馈控制的对比

现在以换热器控制方案举例，直观阐述前馈控制和反馈控制：

          
               前馈控制方案                                                                反馈控制方案
 
2、前馈控制系统中测量干扰量，反馈控制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、前馈控制需要专用调节器，反馈控制一般采用通用PID调节器
反馈调节符合PID调节规律,常用通用PID调节器、DCS等或PLC控制系统实现。前馈调节使用的调节器是是根据被控对象的特点来确定调节规律的前馈调节器。
 
4、前馈控制只能克服所测量的干扰，反馈控制则可克服所有干扰
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、前馈控制理论上可以无差，反馈控制必定有差
反馈调节使系统达到动态稳定，让被调参数稳定在给定值附近动态变化，却不能使被调参数稳定在给定值上不动。
前馈调节在理论上可以实现无差调节。
 
6、前馈控制的局限性
A、在生产应用中各种环节的特性是随负荷变化的，对象动态特性形式多样性难以精确测量，容易造成过补偿或欠补偿。为了补偿前馈调节的不准确，通常将前馈和反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。
B、工业对象存在多个扰动，若均设置前馈控制器，那设备投资高，工作量大。
C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。
D、前馈控制受到前馈控制模型精度限制。
E、前馈控制算法，往往做近似处理。
 
前馈控制选用原则
1、系统中存在频率高、幅度大、可测量而不可控的扰动时，可选用前馈控制。
2、当控制系统控制通道滞后时间长、反馈控制又不能获得良好效果时，可选用前馈控制。
3、选用前馈控制要符合经济性原则。
4、在决定前馈控制方案后，如静态前馈能满足工艺要求，则不选用动态前馈。
 
前馈-反馈控制系统优点
1、从前馈控制角度看，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对没有测量的干扰信号的扰动进行校正。
2、从反馈控制角度看，前馈控制作用对主要干扰及时进行粗调，大大减少反馈控制的负担
 
前馈-反馈控制应用举例
现在以两种换热器控制方案举例，直观阐述前馈-反馈控制：
1、换热器前馈反馈控制控制方案1
 
 
2、换热器前馈反馈控制控制方案2 

说明：本控制方案可克服对象的非线性，或具有变增益控制器功能。

下面分享一篇网上关于前馈介绍的文章：
如果主要扰动在回路以外，但是可以预知，那就要用另一个办法，这就是前馈控制。还是用洗热水澡的例子，如果冷水管和同一个卫生间的抽水马桶共用，你在洗澡，别人一抽水，那你就要变成煮熟的龙虾了。这个时候，要是那个人在抽水的同时告诉你一声，你不等水温升高，有先见之明地及时减少热水，那温度还是可以维持大体不变的。不等测量值变化，就先发制人根据已知扰动做出反应，这就是所谓前馈控制(Feedforward Control)。

前馈控制有两个要紧的东西：一是已知扰动对被控变量的影响，也就是所谓前馈增益；二是扰动的动态，从别人抽水到洗澡水龙头的水温变热，这里面有一个过程，不是立刻实现的。如果可以精确知道这两样东西，那前馈补偿可以把可测扰动完全补偿掉。但实际上没有精确知道的事情，要是指望前馈来完全补偿，弄巧成拙是肯定的。所以前馈通常和反馈一起用，也就是在PID回路上再加一个前馈，用前馈抵消掉可测扰动的大部分(比如1/2~3/4的扰动影响)，再由PID来“磨”掉剩余的误差，避免前馈模型误差造成的过度补偿。

一般只用静态前馈，也就是忽略扰动的动态影响，只补偿扰动对被控变量的静态影响，而由PID反馈对付扰动的动态因素，这主要是因为静态前馈已经把前馈的一大半好处发掘出来了。动态前馈既复杂又不可靠，在实际过程中较少使用。

与反馈控制相比，前馈控制在理论上可以做到完全补偿，在可测扰动产生作用的时候，用方向相反、幅度相同的控制作用完全抵消。但反馈控制必须要等到偏差出现，才能开始反应、有所动作。反馈是本质被动的，所以必定滞后一拍或者若干拍；而前馈是本质主动的，可以在偏差还在萌芽阶段、还没有成气候的时候就消灭之。另一方面，反馈对于即将发生的事情不做假设，等到事情发生了再见招拆招，对各种不确定因素相对不敏感；前馈的成功则取决于对于扰动的性质和幅度有精确理解和测量，否则可能弄巧成拙。

经典的前馈是在PID的控制作用上再加一个前馈作用，实际上也可以乘一个控制作用。乘法前馈的作用太猛，很少有人使用，一般都是用加法。在实施中，前馈是和扰动的变化(也就是增量)成比例的，所以一旦扰动变量不变了，前馈作用就消失了，而不是扰动消失，前馈作用才消失。恒定不变的扰动影响交给反馈就可以解决了。还记得积分作用吗？

前馈增益可以根据粗略计算得到。比如说，抽水一次会造成温度下降多少、需要调整多少热水流量才能维持温度，这不难通过热量平衡算出来。不想费这个事的话，也可以从历史数据中推算。一般算出来一个前馈增益后，打上七折甚至五折再用，保险一点，不要矫枉过正。

前馈作用一般用作辅助控制，但是在特殊情况下，前馈也可以成为“预加载”(pre-loading)，作为基础控制。比如说，在一个高压液相系统的启动过程中，压力可以从静止状态的常压很快地升到很高的压力。正常情况下，高压系统不容许阀门大幅度动作以造成压力的剧烈变化，所以控制增益都比较低；但是这样一来，启动升压过程中，压力控制的反应就十分迟缓，容易造成压力过高，否则就要大大延长升压过程，影响生产。这时用压缩机的转速或进料的流量作为前馈，将压力控制阀“预先”放到大概的位置，然后再用反馈慢慢调节，就可以解决这个问题了。

“预加载”当然可以用外部变量，如上述的压缩机转速或者进料流量，也可以用自身的设定值，这时就称为2自由度控制(Two Degree of Freedom Control)。换句话说，把设定值作为前馈输入，原本单回路PID变成前馈-反馈系统。这不是画蛇添足，而是有道理的。PID整定通常是针对设定值响应的，也就是说，要求测量值迅速、精准地跟踪设定值变化。但过程控制的常见问题实际上不是设定值跟踪，生产过程在大部分时间都是稳定在某一个状态，并不变来变去。但对于过程中的各种扰动要求有效抑制，比如管路压力对流量的影响、器壁散热对温度的影响、物料杂质对反应转化率的影响等。对于有些过程，设定值跟踪和扰动抑制的PID整定要求并不一样，甚至可以相互矛盾。比如上述高压液相系统，对于稳定工况下的扰动抑制，控制增益比较低，以避免不必要的草木皆兵；但对于变化工况，比如根据市场需求大幅度提升或者压低产量时，所有主要流量都要迅速跟上，这时就需要控制增益较高。单一的PID只有一个自由度，不可能同时兼顾设定值跟踪和扰动抑制的要求。采用双自由度控制的话，前馈回路可以高增益，根据设定值变化迅速把阀位“预置”到大概所需位置，其余的用低增益的PID反馈回路慢慢“磨”。设定值到位后，前馈回路“怠速运转”，主要由PID反馈回路对付各种扰动。

图1 典型闭环控制只有一个自由度，在干扰抑制和设定值跟踪之间有矛盾的时候，比如说对设定值要求迅速跟踪，但对干扰抑制反而不操之过急，那就只能迁就一个要求。但2自由度控制就有条件兼顾了

前馈控制还有一个特殊情况。通常驱动前馈的是一个连续变量，比如可测的扰动流量、压力。但有时候，扰动是由一个特定事件触发的，等到流量、压力等常规测量值反映出来的时候，为时已晚。比如说，双发动机的客机如果在起飞中一侧发动机熄火，需要立刻增加剩下还在工作的那台发动机的推力，补上推力损失，否则会因为推力不足而起飞失败，导致失事。当然还要蹬舵补偿只有单发推力导致的偏航力矩，但没有足够的推力，紧接下来就是倒栽葱，偏航不偏航的也就无关紧要了。要是在跑道上还能减速停下来，那还问题不大；要是已经离地，就必须坚持到至少在空中转回来着陆才行。在一般的飞行中，等到发现推力不足，再增加推力，这是可以的，这是常规的反馈控制。但要是这发生在起飞的时候，无视一台发动机已经熄火的重要信息，而坐等发现推力不足再补偿，可能就晚了。最直接可靠的办法是直接监测发动机的工作状态，比测量推力下降更加及时。问题是发动机熄火是一个离散事件的状态，“运转/停车”不是一个数值，无法像通常前馈那样，以扰动变量的数值作为驱动变量，乘以前馈增益，形成前馈控制作用(也就是增加多少推力)。在理想情况下，应该马上使得剩下还工作的那台发动机的推力立刻加倍，也就是说前馈增益为1，但具体多少推力，这要看故障发动机熄火前最后一刻的推力，这不是一个固定数值。所以这样的混合前馈需要记录每台发动机任一时刻的推力，单发熄火作为触发信号，把记录的最后推力作为前馈数值，加入剩余发动机的推力指令，实现推力加倍。这种离散－连续的混合前馈在实践中很有用，可以救命的。