前馈控制系统设计

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1、 目 录 一、前馈控制系统设计 1、前馈控制系统选择原则 1.1 扰动量可测不可控原则.2 1.2 控制系统精确辨识原则.2 1.3被控系统自衡原则.3 1.4 优先性原则.3 1.5 经济性原则.4 2、工程整定 2.1 整定的总体原则 2.1.1 稳定性.4 2.1.2快速性.5 2.1.3 反馈控制的静差.5 3、前馈-反馈复合系统工程整定.5二、实例仿真.6 2.1前馈控制系统整定.7 2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析.7 2.3、反馈控制系统整定.8 2.4、系统仿真.9三、心得体会.11四、参考文献.12 1 二、实例仿真系统按结构分类，可分为：静态前馈控制、动态前馈控制、前馈

2、-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。其中，前馈-反馈复合控制系统的特点是利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰以及前馈所“遗留”部分干扰。前馈调节器和反馈调节器的整定方法如前所述。一般为了实现系统无静差，反馈调节器多选PI控制方式。 前馈反馈复合控制系统仿真主要包括：系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容。其中控制系统整定包括前馈控制系统整定和反馈控制系统整定两部分。本例采用前馈、反馈分别整定的方法。 假设被控对象传递函数中各部分传递函数如下： 干扰通道传递函数为：Gf(s)G2(s)=e-10s 系统被控部分传递函数为：G1(s)G2(s)=e-8s 给定部分传

3、递函数为：Gc(s)=1 6 2.1前馈控制系统整定。 由于采用前馈反馈分别整定方法，所以，前馈整定参数为：Kd=-2.5,Tdl=8。若系统采用PID控制，则系统结构框图如图： 2.1.1前馈-反馈复合控制系统方框图2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。 系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。对2.1.1所示系统反馈环节中开环稳定性分析(不含PID调节器部分)，为分析方便，取： 不含PID调节器的开环传递函数可近视写成：23开环Bode图如图2.2.1所示，可见开环系统不稳定。 2.2.1反馈控制(不含控制器)开环Bode图2.3、反馈控制系统整定。 本例反馈控制器

4、取为PI形式。采用阶跃响应法整定PI参数。开环阶跃响应Simulink框图如图所示。单位阶跃响应曲线如图2.3.1所示。 2.3.1开环阶跃响应Simulink框图8 2.3.2开环系统单位阶跃响应其中阶跃输入控制量 u=1。因此得： 2.4、系统仿真。 利用各整定参数及系统模型辨识结果构建系统前馈-反馈复合控制Simulink框图2.4.1所示，其中各个模块的具体结构如2.4.2所示，仿真结果如2.4.3所示。 2.4.1 系统前馈-反馈复合控制Simulink框图9 2.4.2系统主要模块结构图 2.4.3 系统前馈-反馈复合控制Simulink仿真结果 采取前馈-反馈复合控制系统比单纯采

5、取前馈控制提高了系统控制品质。10一、前馈控制系统设计1.1 前馈控制系统选择原则 前馈控制系统的选择主要有一下原则：1.1.1 扰动量可测不可控原则 扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。如果干扰可控，则可通过控制方法消除扰动对系统的影响，而没有必要采用前馈这种迂回的方式，在被控系统“腹中”消除干扰的影响了。 例如在很多过程控制中，温度是一个主要干扰源。温度可以测量（直接测量或间接测量），满足可测条件。而在某些环境如实验室中，温度可以通过空调等进行调节（不满足不可控条件），将温度对控制对象的影响降到最低，这时就没有必要对温度采取前馈控制方式消除影响了。 而在很多现

6、场情况下（如被控对象在室外等），温度不易调节（满足不可控条件），这时应采取前馈控制方式消除由于温度对系统的影响。1.1.2 控制系统精确辨识原则 控制中的每一个环节的传递特性都应能精确辨识。作为开环控制，构成前馈控制系统中的任何一个环节都应尽可能准确，因为开环控制系统中的任何一环节对系统的控制精确度都有一定影响。相比之下，闭环控制对系统中环节的要求要“松”得多。111.1.3被控系统自衡原则 在非自衡系统中不能单独使用前馈控制。前馈控制本身是开环控制系统，不改变被控系统的非自衡性，所以这样的系统应先构成自衡系统才能采用前馈控制。1.1.4 优先性原则 采用控制系统中的优先性依次是：反馈控制、静

7、态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制。 由于反馈控制能时刻监控被控对象的被控参数，能保证在所有干扰下，将被控参数的变动控制在允许范围之内。所以，系统应优先考虑采用反馈控制。 当存在反馈控制难以克服的频率高、幅值大、对被控参数影响显著、可测而不可控的扰动或控制系统通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的控制效果时，为了改善和提高系统的控制质量，可以引入前馈控制。 在实际工业生产过程中，尤其当过程扰动通道与控制通道的时延相差不大时应用静态前馈控制可获得较高的控制精度。静态前馈控制只能保证被控制参数的静态偏差接近或等于零，不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，不

8、能消除过度过程中所产生的动态偏差。当需要严格控制动态偏差时，就要采用动态前馈控制。 当被控对象的干扰较多，或不能精确辨识干扰对被控对象的影响时，可以采用前馈-反馈控制。利用前馈控制对主要干扰对象进行控3制，通过反馈控制抑制由于辨识不精确以及其他干扰引起的误差。 也就是说，前馈-反馈控制系统将干扰分成两个等级，对影响大的干扰采用前馈补偿，保证系统输出不会有过大的波动，对于影响小的干扰允许引起系统输出的偏差，通过偏差进行补偿。 当被控对象较复杂，干扰较多，要求控制较为精细时，应采用前馈-串级控制。1.1.5 经济性原则 静态前馈控制简单，一般采用比例调节器或比值器就能满足使用要求。而通常动态前馈控

9、制要采用专用的控制器，投资高于静态前馈控制，所以，若静态前馈能达到工艺要求时，则首先选用静态前馈控制。2、工程整定2.1 整定的总体原则 前馈控制系统整定主要涉及的问题是稳定性、快速性和反馈控制的静差问题。 2.1.1 稳定性 稳定性是控制系统正常工作的首要条件。对过程控制来说，稳定性问题不但涉及稳态情况，更涉及干扰扰动问题。 干扰对过程控制的影响主要体现在：系统模型识别精确性降低、系统模型参数离散性变大、系统远离原模型静态工作点、系统工作进入非线性区等。干扰的主要后果是使控制系统处于不稳定，甚至处于不安全工作状态。42.1.2快速性 应保证系统响应的快速性。2.1.3 反馈控制的静差 在稳态

10、时，反馈控制应能较好地反应系统的控制要求，应做到系统响应和控制要求的一致，故系统跟踪不应存在静差。3、前馈-反馈复合系统工程整定 前馈-反馈复合控制的工程整定方法主要有： 前馈控制和反馈分别整定，确定各自参数，然后组合在一起。 首先整定反馈控制系统，然后再在反馈的基础上引入前馈控制系统，并对前馈控制系统进行整定。5三、心得体会 通过本例的仿真，我们认识到前馈-反馈复合控制方法相比传统PID控制，具有稳定性好、自适应性好、能显著提高系统控制品质等有点。 在这次仿真过程中，我们查阅了自动控制系统的相关材料，一定程度上对自动控制系统和其发展现状有了认识了解。根据仿真要求，我们经过对系统参数进行分析和整定，得到了仿真结果并对结果进行分析，进一步了解到了，前馈-反馈复合控制系统的特点。在做的过程中，我们遇到了问题都尽力通过查阅资料解决，不过还有一定的不足，促使我们在以后学习中努力补缺补漏加以解决。 总得来说，通过这次实例仿真，使我们对过程控制系统有了更深入的了解，进行理论与实践的结合，为我们以后的学