現(xiàn)在以換熱器控制方案舉例，直觀闡述前饋控制和反饋控制：

前饋控制方案


反饋控制方案

2、前饋控制系統(tǒng)中測(cè)量干擾量，反饋控制系統(tǒng)中測(cè)量被控變量
在單純的前饋控制系統(tǒng)中，不測(cè)量被控變量，而單純的反饋控制系統(tǒng)中不測(cè)量干擾量。

3、前饋控制需要專用調(diào)節(jié)器，反饋控制一般采用通用PID調(diào)節(jié)器
反饋調(diào)節(jié)符合PID調(diào)節(jié)規(guī)律,常用通用PID調(diào)節(jié)器、DCS等或PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。前饋調(diào)節(jié)使用的調(diào)節(jié)器是是根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)來確定調(diào)節(jié)規(guī)律的前饋調(diào)節(jié)器。

4、前饋控制只能克服所測(cè)量的干擾，反饋控制則可克服所有干擾
前饋控制系統(tǒng)中若干擾量不可測(cè)量，前饋就不可能加以克服。而反饋控制系統(tǒng)中，任何干擾，只要它影響到被控變量，都能在一定程度上加以克服。

5、前饋控制理論上可以無差，反饋控制必定有差
反饋調(diào)節(jié)使系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，讓被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近動(dòng)態(tài)變化，卻不能使被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值上不動(dòng)。
前饋調(diào)節(jié)在理論上可以實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

6、前饋控制的局限性
A、在生產(chǎn)應(yīng)用中各種環(huán)節(jié)的特性是隨負(fù)荷變化的，對(duì)象動(dòng)態(tài)特性形式多樣性難以精確測(cè)量，容易造成過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。為了補(bǔ)償前饋調(diào)節(jié)的不準(zhǔn)確，通常將前饋和反饋控制系統(tǒng)結(jié)合起來組成前饋反饋控制系統(tǒng)。
B、工業(yè)對(duì)象存在多個(gè)擾動(dòng)，若均設(shè)置前饋控制器，那設(shè)備投資高，工作量大。
C、很多前饋補(bǔ)償結(jié)果在現(xiàn)有技術(shù)條件下沒有檢測(cè)手段。
D、前饋控制受到前饋控制模型精度限制。
E、前饋控制算法，往往做近似處理。

前饋控制選用原則
1、系統(tǒng)中存在頻率高、幅度大、可測(cè)量而不可控的擾動(dòng)時(shí)，可選用前饋控制。
2、當(dāng)控制系統(tǒng)控制通道滯后時(shí)間長(zhǎng)、反饋控制又不能獲得良好效果時(shí)，可選用前饋控制。
3、選用前饋控制要符合經(jīng)濟(jì)性原則。
4、在決定前饋控制方案后，如靜態(tài)前饋能滿足工藝要求，則不選用動(dòng)態(tài)前饋。

前饋-反饋控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
1、從前饋控制角度看，由于增加了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型精度的要求，并能對(duì)沒有測(cè)量的干擾信號(hào)的擾動(dòng)進(jìn)行校正。
2、從反饋控制角度看，前饋控制作用對(duì)主要干擾及時(shí)進(jìn)行粗調(diào)，大大減少反饋控制的負(fù)擔(dān)

前饋-反饋控制應(yīng)用舉例
現(xiàn)在以兩種換熱器控制方案舉例，直觀闡述前饋-反饋控制：
1、換熱器前饋反饋控制控制方案1

 
 
2、換熱器前饋反饋控制控制方案2

說明：本控制方案可克服對(duì)象的非線性，或具有變?cè)鲆婵刂破鞴δ堋?br />
下面分享一篇網(wǎng)上關(guān)于前饋介紹的文章：
如果主要擾動(dòng)在回路以外，但是可以預(yù)知，那就要用另一個(gè)辦法，這就是前饋控制。還是用洗熱水澡的例子，如果冷水管和同一個(gè)衛(wèi)生間的抽水馬桶共用，你在洗澡，別人一抽水，那你就要變成煮熟的龍蝦了。這個(gè)時(shí)候，要是那個(gè)人在抽水的同時(shí)告訴你一聲，你不等水溫升高，有先見之明地及時(shí)減少熱水，那溫度還是可以維持大體不變的。不等測(cè)量值變化，就先發(fā)制人根據(jù)已知擾動(dòng)做出反應(yīng)，這就是所謂前饋控制(Feedforward Control)。

前饋控制有兩個(gè)要緊的東西：一是已知擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響，也就是所謂前饋增益；二是擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)，從別人抽水到洗澡水龍頭的水溫變熱，這里面有一個(gè)過程，不是立刻實(shí)現(xiàn)的。如果可以精確知道這兩樣?xùn)|西，那前饋補(bǔ)償可以把可測(cè)擾動(dòng)完全補(bǔ)償?shù)簟５珜?shí)際上沒有精確知道的事情，要是指望前饋來完全補(bǔ)償，弄巧成拙是肯定的。所以前饋通常和反饋一起用，也就是在PID回路上再加一個(gè)前饋，用前饋抵消掉可測(cè)擾動(dòng)的大部分(比如1/2~3/4的擾動(dòng)影響)，再由PID來“磨”掉剩余的誤差，避免前饋模型誤差造成的過度補(bǔ)償。

一般只用靜態(tài)前饋，也就是忽略擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)影響，只補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控變量的靜態(tài)影響，而由PID反饋對(duì)付擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)因素，這主要是因?yàn)殪o態(tài)前饋已經(jīng)把前饋的一大半好處發(fā)掘出來了。動(dòng)態(tài)前饋既復(fù)雜又不可靠，在實(shí)際過程中較少使用。

與反饋控制相比，前饋控制在理論上可以做到完全補(bǔ)償，在可測(cè)擾動(dòng)產(chǎn)生作用的時(shí)候，用方向相反、幅度相同的控制作用完全抵消。但反饋控制必須要等到偏差出現(xiàn)，才能開始反應(yīng)、有所動(dòng)作。反饋是本質(zhì)被動(dòng)的，所以必定滯后一拍或者若干拍；而前饋是本質(zhì)主動(dòng)的，可以在偏差還在萌芽階段、還沒有成氣候的時(shí)候就消滅之。另一方面，反饋對(duì)于即將發(fā)生的事情不做假設(shè)，等到事情發(fā)生了再見招拆招，對(duì)各種不確定因素相對(duì)不敏感；前饋的成功則取決于對(duì)于擾動(dòng)的性質(zhì)和幅度有精確理解和測(cè)量，否則可能弄巧成拙。

經(jīng)典的前饋是在PID的控制作用上再加一個(gè)前饋?zhàn)饔茫瑢?shí)際上也可以乘一個(gè)控制作用。乘法前饋的作用太猛，很少有人使用，一般都是用加法。在實(shí)施中，前饋是和擾動(dòng)的變化(也就是增量)成比例的，所以一旦擾動(dòng)變量不變了，前饋?zhàn)饔镁拖Я耍皇菙_動(dòng)消失，前饋?zhàn)饔貌畔А：愣ú蛔兊臄_動(dòng)影響交給反饋就可以解決了。還記得積分作用嗎？

前饋增益可以根據(jù)粗略計(jì)算得到。比如說，抽水一次會(huì)造成溫度下降多少、需要調(diào)整多少熱水流量才能維持溫度，這不難通過熱量平衡算出來。不想費(fèi)這個(gè)事的話，也可以從歷史數(shù)據(jù)中推算。一般算出來一個(gè)前饋增益后，打上七折甚至五折再用，保險(xiǎn)一點(diǎn)，不要矯枉過正。

前饋?zhàn)饔靡话阌米鬏o助控制，但是在特殊情況下，前饋也可以成為“預(yù)加載”(pre-loading)，作為基礎(chǔ)控制。比如說，在一個(gè)高壓液相系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中，壓力可以從靜止?fàn)顟B(tài)的常壓很快地升到很高的壓力。正常情況下，高壓系統(tǒng)不容許閥門大幅度動(dòng)作以造成壓力的劇烈變化，所以控制增益都比較低；但是這樣一來，啟動(dòng)升壓過程中，壓力控制的反應(yīng)就十分遲緩，容易造成壓力過高，否則就要大大延長(zhǎng)升壓過程，影響生產(chǎn)。這時(shí)用壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速或進(jìn)料的流量作為前饋，將壓力控制閥“預(yù)先”放到大概的位置，然后再用反饋慢慢調(diào)節(jié)，就可以解決這個(gè)問題了。

“預(yù)加載”當(dāng)然可以用外部變量，如上述的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或者進(jìn)料流量，也可以用自身的設(shè)定值，這時(shí)就稱為2自由度控制(Two Degree of Freedom Control)。換句話說，把設(shè)定值作為前饋輸入，原本單回路PID變成前饋-反饋系統(tǒng)。這不是畫蛇添足，而是有道理的。PID整定通常是針對(duì)設(shè)定值響應(yīng)的，也就是說，要求測(cè)量值迅速、精準(zhǔn)地跟蹤設(shè)定值變化。但過程控制的常見問題實(shí)際上不是設(shè)定值跟蹤，生產(chǎn)過程在大部分時(shí)間都是穩(wěn)定在某一個(gè)狀態(tài)，并不變來變?nèi)ァ５珜?duì)于過程中的各種擾動(dòng)要求有效抑制，比如管路壓力對(duì)流量的影響、器壁散熱對(duì)溫度的影響、物料雜質(zhì)對(duì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響等。對(duì)于有些過程，設(shè)定值跟蹤和擾動(dòng)抑制的PID整定要求并不一樣，甚至可以相互矛盾。比如上述高壓液相系統(tǒng)，對(duì)于穩(wěn)定工況下的擾動(dòng)抑制，控制增益比較低，以避免不必要的草木皆兵；但對(duì)于變化工況，比如根據(jù)市場(chǎng)需求大幅度提升或者壓低產(chǎn)量時(shí)，所有主要流量都要迅速跟上，這時(shí)就需要控制增益較高。單一的PID只有一個(gè)自由度，不可能同時(shí)兼顧設(shè)定值跟蹤和擾動(dòng)抑制的要求。采用雙自由度控制的話，前饋回路可以高增益，根據(jù)設(shè)定值變化迅速把閥位“預(yù)置”到大概所需位置，其余的用低增益的PID反饋回路慢慢“磨”。設(shè)定值到位后，前饋回路“怠速運(yùn)轉(zhuǎn)”，主要由PID反饋回路對(duì)付各種擾動(dòng)。



圖1 典型閉環(huán)控制只有一個(gè)自由度，在干擾抑制和設(shè)定值跟蹤之間有矛盾的時(shí)候，比如說對(duì)設(shè)定值要求迅速跟蹤，但對(duì)干擾抑制反而不操之過急，那就只能遷就一個(gè)要求。但2自由度控制就有條件兼顧了

前饋控制還有一個(gè)特殊情況。通常驅(qū)動(dòng)前饋的是一個(gè)連續(xù)變量，比如可測(cè)的擾動(dòng)流量、壓力。但有時(shí)候，擾動(dòng)是由一個(gè)特定事件觸發(fā)的，等到流量、壓力等常規(guī)測(cè)量值反映出來的時(shí)候，為時(shí)已晚。比如說，雙發(fā)動(dòng)機(jī)的客機(jī)如果在起飛中一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，需要立刻增加剩下還在工作的那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，補(bǔ)上推力損失，否則會(huì)因?yàn)橥屏Σ蛔愣痫w失敗，導(dǎo)致失事。當(dāng)然還要蹬舵補(bǔ)償只有單發(fā)推力導(dǎo)致的偏航力矩，但沒有足夠的推力，緊接下來就是倒栽蔥，偏航不偏航的也就無關(guān)緊要了。要是在跑道上還能減速停下來，那還問題不大；要是已經(jīng)離地，就必須堅(jiān)持到至少在空中轉(zhuǎn)回來著陸才行。在一般的飛行中，等到發(fā)現(xiàn)推力不足，再增加推力，這是可以的，這是常規(guī)的反饋控制。但要是這發(fā)生在起飛的時(shí)候，無視一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)熄火的重要信息，而坐等發(fā)現(xiàn)推力不足再補(bǔ)償，可能就晚了。最直接可靠的辦法是直接監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，比測(cè)量推力下降更加及時(shí)。問題是發(fā)動(dòng)機(jī)熄火是一個(gè)離散事件的狀態(tài)，“運(yùn)轉(zhuǎn)/停車”不是一個(gè)數(shù)值，無法像通常前饋那樣，以擾動(dòng)變量的數(shù)值作為驅(qū)動(dòng)變量，乘以前饋增益，形成前饋控制作用(也就是增加多少推力)。在理想情況下，應(yīng)該馬上使得剩下還工作的那臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力立刻加倍，也就是說前饋增益為1，但具體多少推力，這要看故障發(fā)動(dòng)機(jī)熄火前最后一刻的推力，這不是一個(gè)固定數(shù)值。所以這樣的混合前饋需要記錄每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)任一時(shí)刻的推力，單發(fā)熄火作為觸發(fā)信號(hào)，把記錄的最后推力作為前饋數(shù)值，加入剩余發(fā)動(dòng)機(jī)的推力指令，實(shí)現(xiàn)推力加倍。這種離散－連續(xù)的混合前饋在實(shí)踐中很有用，可以救命的。