控制系统中前馈控制与反馈控制的区别

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【摘要】文中主要阐述在自动控制系统中前馈控制与反馈控制之间的区别以及内在的联系。

【关键词】前馈控制;反馈控制

自动控制系统中主要包含两大类控制，一种是前馈控制，另一种是反馈控制。

在自动控制系统中，反馈控制是闭环控制，所谓的闭环控制是将输出信号反送到控制器的输入端与给定值（给定控制信号）进行比较，得到偏差信号作为控制器的输入信号。（如何构成的“环路”？对整个控制系统来讲包含两条主要通路信号，一条是从控制器传送到控制对象的前向通道信号，还有一条是从控制对象反馈到控制器输入的反向信号，整个系统构成一个闭和的环路，因此称为闭环）。

前馈控制则是指不存在给定信号与控制对象的输出信号进行比较的过程，直接对控制对象进行控制的一种控制方式，是一种开环的控制方式。它是在从给定值到控制对象的称为“前向”控制通道上加上控制信号的一种控制方式。因此称为“前馈”。前馈控制一般由前馈控制器完成，前馈控制器输出到“前向通道”的信号（作用在控制系统的信号）称为前馈信号。前馈控制器的输入一般是对系统的某种扰动进行检测和处理后的信号。那么二者之间究竟有怎么的区别和联系，笔者对此做了以下的见点介绍。

图1 反馈控制框图

图2 前馈控制框图

上面的两个框图分别是反馈控制框图和前馈控制框图，从图上分析可知二者之间的区别：

1.所测量的信号量不同，前馈系统中所测的信号量是干扰量，反馈系统中所测量的信号量是被控变量。

一般反馈控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节的，这都属于闭环负反馈调节，其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节。如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。所以反馈系统的调节作用落后于干扰作用。

前馈调节是按照干扰作用来进行调节的。它的特点是把干扰测量出来，直接引入调节装置。不像反馈控制那样一定要产生偏差后再来调节，所以前馈控制系统能很好的克服干扰的作用。

2.前馈控制根据其特定的控制规律需要用专用调节器，反馈控制一般只需采用通用调节器即可。

由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，要根据被控制对象的特点来确定调节规律，进而选择所需要的专用调节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，反馈调节通常采用PID调节规律，常用常规仪表或DCS等控制系统实现，可采用通用调节器。

3.两种控制所起的作用不同，前馈控制只能克服所测量出的的干扰信号，反馈控制对系统中所出现的所有干扰量都可以克服。

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，也就是说前馈控制与干扰量的补偿是一一对应的关系，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。

4.前馈控制在理论上可以做到无差控制，而反馈控制做不到绝对的无差控制。

在阶跃信号作用下，如果前馈调节作用和干扰作用的响应曲线方向相反，幅值相同，根据它们的合成结果，输出量连续地维持在恒定的设定值上，这称为全补偿。如果系统中的干扰数量很少，前馈控制可以逐个测量干扰，加以克服，理论上可以做到被控变量无差控制。显然，这种理想的控制性能，反馈控制系统是做不到的。这是因为反馈控制不能使被调参数稳定在给定值上不动，只能使被调解参数稳定在给定值附近动态变化，达到系统的动态稳定。无论干扰的多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。

5.前馈控制不存在控制精度与稳定性矛盾。前馈控制本身不形成闭合反馈回路，不存在闭环稳定性问题，因而也就不存在控制精度与稳定性矛盾。而反馈控制系统相对于前馈控制系统来说是闭环系统，对系统元件的精度要求不高，稳定性是其重要的特性。

由于系统的扰动最终要使系统偏离所要求的控制值，检测到系统的扰动时系统并未发生偏离，这时候若能给系统的控制器加入一个前馈信号“提前”进行控制，就会有效地避免控制系统过大地偏离期望值。因此，在自动控制系统中通常说前馈控制具有改善系统的动态性能的作用。

此外，由于前馈控制信号是在系统还没有偏离期望值时就提供的一种控制，因此其控制精度较差，因此它的静态精度较低。为了克服这种不足，前馈控制一般不单独使用，而是与反馈控制配合使用，即发挥前馈调节的及时的特点。