前饋控制通常用于最小化主要擾動(dòng)對(duì)過(guò)程變量的影響。這是通過(guò)測(cè)量主要過(guò)程干擾，并在主要干擾對(duì)過(guò)程本身產(chǎn)生不利影響之前改變相關(guān)操縱變量進(jìn)行抵消來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
一般來(lái)說(shuō)，如果過(guò)程干擾和純滯后時(shí)間都較小，那么反饋系統(tǒng)的運(yùn)行就更準(zhǔn)確、更有效。顯然，前饋控制有助于實(shí)現(xiàn)反饋控制的這一要求。如果我們將精確配置的前饋系統(tǒng)和良好調(diào)節(jié)的反饋系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，那么反饋控制和前饋控制的結(jié)合會(huì)是一個(gè)幾乎最優(yōu)運(yùn)行的控制系統(tǒng)。
前饋-反饋聯(lián)合控制系統(tǒng)比等效的單回路系統(tǒng)使用更多的控制組件和設(shè)備，包括兩個(gè)傳感器和PID控制器。由于系統(tǒng)性能要求所有這些設(shè)備正常工作，因此其可靠性將低于等效單回路系統(tǒng)的可靠性。然而，需要注意的是，反饋控制并不依賴(lài)于前饋。如果前饋控制器中的任何組件出現(xiàn)故障，可以關(guān)閉前饋部分，反饋控制器將正常工作。通常，前饋控制模塊較低的可靠性并不妨礙前饋控制的使用。
圖1展示了如何將兩種控制方法結(jié)合到加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)中。進(jìn)料變化時(shí)，前饋控制通過(guò)及時(shí)控制燃料氣流量在進(jìn)料波動(dòng)影響到出口溫度前及時(shí)抑制。反饋控制用于克服不可測(cè)擾動(dòng)引起的偏差，保證閉環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)態(tài)余差。這個(gè)控制系統(tǒng)中的燃料氣流量副回路有三個(gè)作用：a.克服燃料氣壓力波動(dòng)對(duì)溫度的影響；b.克服燃料氣流量調(diào)節(jié)閥的非線性；c.減少非線性對(duì)前饋系數(shù)計(jì)算的影響。
圖1 前饋-反饋聯(lián)合控制
由于前饋-反饋聯(lián)合控制設(shè)計(jì)涉及更多控制組件和設(shè)備，因此其成本略高于單回路系統(tǒng)。假如該變量還未用于監(jiān)控目的，需要增加現(xiàn)場(chǎng)傳感器成本和傳輸至控制室的成本。如果使用具有備用容量的控制系統(tǒng)，控PID制器的成本基本為零，否則可能增加PID控制器成本。增加的其他成本還包括安裝和記錄成本。與通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的前饋控制策略實(shí)現(xiàn)的效益相比，這些成本通常并不顯著,但昂貴的在線分析儀作為前饋?zhàn)兞客ǔ２惶珓澦恪?/span>
前饋-反饋聯(lián)合控制系統(tǒng)參數(shù)整定
由于強(qiáng)反饋控制有不穩(wěn)定的傾向，因此應(yīng)盡可能避免。前饋控制可以完成所需控制的主要部分，而反饋控制只是為了消除過(guò)程變量的漂移，所以建議按照以下步驟進(jìn)行前饋-反饋聯(lián)合控制系統(tǒng)整定：
①整定反饋和前饋控制所用的副控制器；
②整定前饋控制；
③使用Lambda整定方法整定反饋控制；
④評(píng)估過(guò)程變量的控制性能。
記住，在這種情況下，反饋控制只是前饋控制的補(bǔ)充，不能引入任何形式的振蕩或不穩(wěn)定。
反饋是本質(zhì)被動(dòng)的，有偏差才會(huì)有動(dòng)作，所以反饋必定滯后于干擾。而前饋是本質(zhì)主動(dòng)的，可以在干擾有機(jī)會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)并擾亂閉環(huán)或反饋回路特性之前檢測(cè)并糾正這些干擾。另外，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(jiàn)招拆招，對(duì)各種不確定因素相對(duì)不敏感。但由于前饋控制需要過(guò)程模型，所以前饋控制不像反饋控制那樣常用。反饋控制和前饋控制具有互補(bǔ)性質(zhì)。反饋控制可以減少慢速干擾的影響，前饋控制可以更快減少干擾的影響。反饋控制對(duì)過(guò)程模型的變化相對(duì)不敏感，前饋對(duì)過(guò)程模型的參數(shù)變化更為敏感。反饋可能引起不穩(wěn)定，而前饋不會(huì)引起任何穩(wěn)定問(wèn)題。為了獲得良好的控制性能，可以將反饋控制和前饋控制結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制。
前饋-反饋聯(lián)合控制應(yīng)用
在許多過(guò)程控制應(yīng)用中，幾個(gè)過(guò)程串聯(lián)在一起。在這種情況下，測(cè)量干擾和使用前饋控制往往很容易。自然循環(huán)鍋爐的汽包液位控制是前饋-反饋聯(lián)合控制的典型應(yīng)用。
工業(yè)蒸汽大都是由鍋爐加熱水產(chǎn)生的。汽包液位控制是其中最主要的復(fù)雜控制策略之一。在自然循環(huán)鍋爐中，鍋爐水在水冷壁內(nèi)襯的蒸發(fā)器管中循環(huán)，在那里部分轉(zhuǎn)化為蒸汽。水蒸氣混合物返回鍋爐汽包，在那里蒸汽和水被分離。為了彌補(bǔ)作為蒸汽損失的水，給鍋爐增加了給水。汽包液位是蒸汽流量和給水平衡的指示器。
保持鍋爐汽包液位在設(shè)定值至關(guān)重要。如果液位過(guò)低，鍋爐可能會(huì)燒干，導(dǎo)致汽包、鍋爐管道和鍋爐水循環(huán)泵的機(jī)械損壞。如果液位太高，水會(huì)被帶入蒸汽管道損壞下游設(shè)備。
蒸汽流量的變化也可能導(dǎo)致汽包液位出現(xiàn)較大偏差，甚至鍋爐停車(chē)。蒸汽流量是可測(cè)量的，采用前饋控制策略可以很好地改善汽包液位控制。如圖2所示，汽包液位測(cè)量、蒸汽流量測(cè)量和給水流量測(cè)量相結(jié)合控制鍋爐汽包液位稱(chēng)為三沖量控制。
圖2 三沖量鍋爐汽包液位控制原理
三沖量汽包液位控制策略測(cè)量蒸汽流量并將其用作給水流量控制器的設(shè)定值。通過(guò)這種方式，調(diào)整給水流量以匹配蒸汽流量。蒸汽流量的變化幾乎會(huì)立即被給水流量的類(lèi)似變化所抵消。為確保汽包液位偏差也用于控制，蒸汽流量作為前饋被添加到汽包液位控制器的輸出中。給水流量作為副回路能快速克服給水壓力波動(dòng)對(duì)汽包液位的影響，同時(shí)可以簡(jiǎn)化蒸汽流量前饋系數(shù)的計(jì)算。蒸汽流量作為前饋引入鍋爐汽包液位控制中，可以及時(shí)消除蒸汽流量波動(dòng)對(duì)汽包液位的影響，有效防止“虛假液位”引起的控制系統(tǒng)誤操作。
前饋-反饋聯(lián)合控制在自然循環(huán)鍋爐汽包液位控制中成為標(biāo)準(zhǔn)的三沖量控制方案有幾個(gè)主要原因：
a\前饋和反饋通道的動(dòng)態(tài)特性基本一致，一般前饋系數(shù)設(shè)置為靜態(tài)前饋而且系數(shù)為1即可；
b\反饋控制由于虛假液位被近似為純滯后時(shí)間，作為大純滯后積分被控對(duì)象反饋控制不能太快；
c\用戶(hù)的蒸汽用量頻繁變化而且不可預(yù)測(cè)。
