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1、南昌航空大学课程设计南昌航空大学课程设计报告 课程设计名称：前馈反馈控制系统仿真 课题组成员： 指导老师： 撰写日期：2016年12月18日星期日南昌航空大学信息工程学院自动化系二一六年制过程控制 课程设计任务书20 1620 17 学年 第一 学期第 15 周 15 周 题目前馈反馈复合控制系统仿真内容及要求通过在MATLAB软件上建立前馈反馈复合控制系统的数学模型，利用反馈控制抑制其他干扰及前馈所“遗留部分干扰”。采用前馈、反馈分别整定和以反馈为基础整定前馈的方法，对控制系统进行系统辨识、控制系统整、和系统仿真等内容。进度安排1、讲授课程设计的要求、任务和方法，布置设计题目（0.5天）；2
2、、查阅资料，确定设计方案（1天）；3、设计、实验调试并完成课程设计报告（2.5天）；4、当场个人答辩及报告评阅（1天）。学生姓名： 刘英俊指导时间 2016年11月 20日至2016年11月 27日指导地点：F409任务下达2016 年 11月21日任务完成2016年11月 27日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。引言本课程设计通过仿真实例介绍前馈-反馈控制系统的基本特点、前馈反馈控制系统的设计及前馈反馈控制系统控
3、制器的参数整定等基础认识。在本设计中，通过对锅炉双冲量控制系统的设计分析，说明前馈反馈控制系统的优越性能。目录1、系统概述11.1、前馈控制系统的结构11.2、前馈控制系统的特点21.3、前馈-反馈混合控制32、前馈-反馈混合控制系统的设计52.1、锅炉汽水系统介绍52.2、汽包水位特性及其控制52.2.1、汽包水位在给水流量作用下的动态特性62.2.2、汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性72.3、汽包水位控制方案83、参数整定103.1、PID参数整定103.1.1、PID各环节对系统控制的作用103.1.2、PID参数整定方法103.2、系统仿真113.2.1、系统辨识113.2.2、前
4、馈反馈控制系统整定123.2.3、构成反馈控制系统前向通道稳定分析153.3、simulink仿真15参考文献171、 系统概述1.1、前馈控制系统的结构在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰
5、大小和方法按一定规律去控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。 从以上分析我们可以得出如下结论：若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做前馈控制或扰动补偿。 前馈控制系统的工作原理可结合下面图1.1 所示。图1.1 前馈控制原理图图1.1中虚线部分为缩影入的控制部分。G1(s)、G3(s)为干扰源至系统的干扰通道传递函数；Gd(s)为前馈调节器的传递函数；G2(s)、G3(
6、s)为干扰源至系统输出的控制通道传递函数。系统输出为：Y=XG1G2G3+M(GdG2+Gf)G3 (1-1)有式（1-1）可知：M为干扰信号，只要测出M及干扰通道Gf就可以构造Gd，则： Gd=-Gf/G2 (1-2)从而消除干扰的影响。干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈控制的原理是给系统附加一个控制通道，使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制。利用扰动所附加的控制量与扰动对被控变量影响的叠加消除或减小干扰的影响。1.2、前馈控制系统的特点前馈控制系统只要有以下几个特点：1）属于开环控制。只要系统中各环节是稳定的，控制系统就必定稳定。若系统中有一个环节不稳定或局部不稳定，系统就不稳
7、定。另外，系统的控制精度取决于系统的每一部分的精度，所以对系统的各环节精度要求较高。2）很强的补偿局限性前馈控制系统实际是同一干扰源通过干扰通道和前馈通道对系统作用的叠加来消除干扰的影响。因此，固定的前馈控制系统只对相应的干扰源器作用，而对其他干扰没有影响。而且，在实际的工程应用中，影响往往是多种多样，系统随时间、工作状态、环境等变化，也会发生变化甚至使是非线性的，这些都可能导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。所以前馈控制系统即使对单一干扰也难以完全控制。3）前馈控制反应迅速。在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统的反应速度。在扰动发生后，
8、前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。这非常有利于大延迟滞系统控制。4）只能用于可测的干扰对不可测干扰，由于不能构造前馈控制器而不能使用。1.3、前馈-反馈混合控制根据前馈控制的特点可以看出，前馈控制虽然调节速度快等优点，但仍然存在很大的局限性，只能对已知的、单一的干扰进行抑制，对于实际应用中的不确定干扰，并不能起到有效的作用。所以为了使系统根据有抗干扰性和准确性，可以对系统引入反馈调节，即：前馈-反馈混合控制。系统有两种形式。（1）前馈-反馈复合控制方式一的工作原理图如图1.2所示图1.2 前馈-反馈复合控制系统方式一系统扰动传递函数为： Y(s)M(s)=Gf
9、s+GdsG1sG2(s)1+GcsG1sG2(s)H(s) （1-3）而再单纯的前馈控制下，系统对扰动的传递函数为：Y(s)M(s)=Gfs+GdsG1sG2(s) （1-4）可见，前馈-反馈复合控制与单纯的前馈控制相比，扰动量对被控量的影响为原来的1/（Gfs+GdsG1sG2(s)），扰动影响减小了，同时又增加了反馈调节能力。前馈-反馈复合控制实现干扰全补偿的条件为： Gds=-Gf(s)G1(s) （1-5）（2）前馈-反馈复合控制方式二的工作原理图如图1.3所示图1-3前馈-反馈复合控制方式二对图1-3所示的系统结构，输出对于干扰的传递函数Y(s)M(s)=Gfs+GdsG1sG2(
10、s)1+GcsG1sG2(s)H(s) （1-6）前馈-反馈复合控制实现干扰全补偿的条件为： Gds=-Gf(s)Gc(s)G1(s) （1-7）对图1-3所示系统前馈补偿器取决于过程扰动通道、控制通道特性和反馈控制器规律。总结：采用前馈-反馈系统对某一个或某几个系统影响显著的扰动在影响系统输出之前进行提前补偿，而对于起扰动可利用反馈控制，通过输出的变化进行偏差补偿。前馈-反馈复合控制的两种形式，其控制性能相同。2、前馈-反馈混合控制系统的设计2.1、锅炉汽水系统介绍如图2.1所示，经过处理后的水通过给水母管在给水调节器作用下，流经省煤器被加热后送入汽包，然后在汽包和管束系统中进行自然对流交换
11、，汽包产生的蒸汽在上汽包中分离，从主汽管流出，在过热器中进行一步加热形成过热蒸汽后流向分汽缸，以便与工业生产以及其他用它用途。图2.1 锅炉气泡系统图2.2、汽包水位特性及其控制汽包和蒸发管系统中储藏着蒸汽和水，储存量的多少是以被控制量水位来表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量的时候，汽包水位就能恒定不变，引起水位变化的主要是蒸汽量的变化和给水量的变化。如果只考虑主要扰动，则汽包水位对象的动态特性方程可以示为： （2-1）式子中，T1，T2为时间常数，TW为给水流量项时间常数，TD为蒸汽流量项时间常数，KW为给水流量项的放大系数，KD为蒸汽流量项的放大系数。2.2.
12、1、汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水量发生变化的时候，汽包水位的微分方程可以表示为： （2-2） 从而可以得到汽包水位在给水量的作用下的传递函数：（2-3）Tw的数值一般很小常常可以忽略不计，对于一些锅炉，在给水量增加较长时间里，汽包水位并不增加，存在较长一段时间的起始惯性。可以用以下式子近似表示为： （2-4）由于要得出此动态数学模型必须通过现场数据采集和数据分析处理，最后可以得到锅炉汽包水位在给谁流量作用下的数学动态模型，在本次课设中，我查阅相关资料了选取了一个实例的动态数学模型： （2-5）在给水流量的阶跃输入作用下，当突然加大给水量（蒸
13、汽量不变）是给水量大于蒸汽量，但是因为温度较低的给多水进入了水环系统，使他从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的损失，汽包减少。经省煤器进入汽包给水，首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间，这时虽然给水量增加，但是水位还是基本保持不变。但水面下汽包的体积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储存量的增加而逐渐上升。当水面下汽包体积不再变化，完全稳定下来时，水位就随着存水量的增加而上升。2.2.2、汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动的动态特性可以用下面式子表示： （2-6）在其它条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽
14、包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高（水量实际上在减少）。这种压力下降而非水量增加导致的汽包水位上升的现象成为“虚假水位”现象，图2.2给出了在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线。图2.2 蒸汽流量阶跃扰动作用下的汽包水位相应曲线当蒸汽流量D突然增加DD时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽大于给水量，水位应下降，如图曲线DH1，实际上，由于蒸汽流量的增加瞬时间必然导致汽包压力下降。汽包内的沸腾突然增加，水中气泡迅速增加，由于气泡的体积增加使水位的响应曲线如图中DH2,而实际显示的水位曲线应该是DH为DH2和DH1的叠加，即DH=DH1+DH2。从图中可以看出蒸汽用量增加，在开始阶段水位不会下降反而会先上升，然后再下降，这个现象称为“虚假水位”蒸汽扰动时。水位的变化的动态特性用传
