前饋控制系統(tǒng)設計.doc

1、一、前饋控制系統(tǒng)設計1 、前饋控制系統(tǒng)選擇原則1.1 擾動量可測不可控原則 21.2 控制系統(tǒng)精確辨識原則 21.3 被控系統(tǒng)自衡原則31.4 優(yōu)先性原則 31.5 經(jīng)濟性原則 42、工程整定2.1 整定的總體原則2.1.1 穩(wěn)定性 42.1.2 快速性 52.1.3 反饋控制的靜差 53、 前饋 -反饋復合系統(tǒng)工程整定 5二、實例仿真 61.1 前饋控制系統(tǒng)整定 71.2 反饋控制系統(tǒng)前向通道穩(wěn)定性分析 71.3 、反饋控制系統(tǒng)整定 81.4 、系統(tǒng)仿真 93、 心得體會114、 參考文獻122二、實例仿真系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分類，可分為：靜態(tài)前饋控制、動態(tài)前饋控制、前饋-反饋復合控制系統(tǒng)、前饋-串級

2、復合控制系統(tǒng)等。其中，前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的特點是利用前饋抑制對系統(tǒng)影 響較大的干擾，利用反饋控制抑制其他干擾以及前饋所“遺留”部分 干擾。前饋調(diào)節(jié)器和反饋調(diào)節(jié)器的整定方法如前所述。一般為了實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差，反饋調(diào)節(jié)器多選 PI控制方式。前饋反饋復合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)識別、控制系統(tǒng)整定 和系統(tǒng)仿真等內(nèi)容。其中控制系統(tǒng)整定包括前饋控制系統(tǒng)整定和反饋 控制系統(tǒng)整定兩部分。本例采用前饋、反饋分別整定的方法。假設被控對象傳遞函數(shù)中各部分傳遞函數(shù)如下：干擾通道傳遞函數(shù)為：Gf(s)G2(s尸” 寸0s(8s 1)(10s 1)系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為： Gi(s)G2(s尸6e-8s(5s 1)(

3、10s 1)給定部分傳遞函數(shù)為：Gc(s)=1102.1 前饋控制系統(tǒng)整定。由于采用前饋反饋分別整定方法，所以，前饋整定參數(shù)為：Kd=-2.5,Tdi=8。若系統(tǒng)采用PID控制,則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖:2.1.1前饋-反饋復合控制系統(tǒng)方框圖測工打Mt.fj2.2 反饋控制系統(tǒng)前向通道穩(wěn)定性分析。系統(tǒng)穩(wěn)定性分析是實驗調(diào)試中正確把握試驗方法、試驗參數(shù)的基 本依據(jù)。對2.1.1所示系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)中開環(huán)穩(wěn)定性分析（不含PID調(diào)節(jié)器部分），為分析方便，取:不含PID調(diào)節(jié)器的開環(huán)傳遞函數(shù)可近視寫成:(3s 1)(10s 1)(5s 1)2開環(huán)Bode圖如圖2.2.1所示，可見開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定Socle Diagr

4、am3n -1 95 dB (at 01 $2 rad/sec) , Pm - -11 3 deg rat 0.214 t«泗ec)2.2.1反饋控制（不含控制器）開環(huán)Bode圖rIIjEi'f 一營2.3 、反饋控制系統(tǒng)整定。本例反饋控制器取為PI形式。采用階躍響應法整定 PI參數(shù)。開環(huán)階躍響應Simulink框圖如圖所示。單位階躍響應曲線如圖2.3.1所zK o2.3.1開環(huán)階躍響應Simulink框圖2.3.2開環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應其中階躍輸入控制量Au=1。因此得：0 9 Au TKpKp 尸 口 1 : 82"局=以=0.009y,L3L2.4 、系統(tǒng)仿真。

5、利用各整定參數(shù)及系統(tǒng)模型辨識結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)前饋-反饋復合控制Simulink框圖2.4.1所示，其中各個模塊的具體結(jié)構(gòu)如2.4.2所示，仿 真結(jié)果如2.4.3所示。2.4.1系統(tǒng)前饋-反饋復合控制Simulink框圖d K柄通;”費城iM，王忠電嗅決雄仁2.4.2 系統(tǒng)主要模塊結(jié)構(gòu)圖2.4.3 系統(tǒng)前饋-反饋復合控制Simulink仿真結(jié)果采取前饋-反饋復合控制系統(tǒng)比單純采取前饋控制提高了系統(tǒng)控 制品質(zhì)。一、前饋控制系統(tǒng)設計1.1 前饋控制系統(tǒng)選擇原則前饋控制系統(tǒng)的選擇主要有一下原則：1.1.1 擾動量可測不可控原則擾動量的可測性是補償?shù)那疤釛l件，不可測的擾動量無法設計前饋補償器。如果干擾可控，

6、則可通過控制方法消除擾動對系統(tǒng)的影響，而沒有必要采用前饋這種迂回的方式，在被控系統(tǒng)“腹中”消除干擾的影響了。例如在很多過程控制中，溫度是一個主要干擾源。溫度可以測量（直接測量或間接測量）， 滿足可測條件。而在某些環(huán)境如實驗室中，溫度可以通過空調(diào)等進行調(diào)節(jié)（不滿足不可控條件），將溫度對控制對象的影響降到最低，這時就沒有必要對溫度采取前饋控制方式消除影響了。而在很多現(xiàn)場情況下（如被控對象在室外等），溫度不易調(diào)節(jié)（滿足不可控條件），這時應采取前饋控制方式消除由于溫度對系統(tǒng)的影響。1.1.2 控制系統(tǒng)精確辨識原則控制中的每一個環(huán)節(jié)的傳遞特性都應能精確辨識。作為開環(huán)控制，構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)中的任何一個環(huán)節(jié)

7、都應盡可能準確，因為開環(huán)控制系統(tǒng)中的任何一環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的控制精確度都有一定影響。相比之下，閉環(huán)控制對系統(tǒng)中環(huán)節(jié)的要求要“松”得多 。21.1.3被控系統(tǒng)自衡原則在非自衡系統(tǒng)中不能單獨使用前饋控制。前饋控制本身是開環(huán)控制系統(tǒng)， 不改變被控系統(tǒng)的非自衡性，所以這樣的系統(tǒng)應先構(gòu)成自衡系統(tǒng)才能采用前饋控制。1.1.4 優(yōu)先性原則采用控制系統(tǒng)中的優(yōu)先性依次是：反饋控制、靜態(tài)前饋控制、動態(tài)前饋控制、前饋-反饋控制、前饋-串級控制。由于反饋控制能時刻監(jiān)控被控對象的被控參數(shù)，能保證在所有干擾下，將被控參數(shù)的變動控制在允許范圍之內(nèi)。所以，系統(tǒng)應優(yōu)先考慮采用反饋控制。當存在反饋控制難以克服的頻率高、幅值大、對被控參

8、數(shù)影響顯著、 可測而不可控的擾動或控制系統(tǒng)通道時延較大、反饋控制又不能得到良好的控制效果時，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，可以引入前饋控制。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其當過程擾動通道與控制通道的時延相差不大時應用靜態(tài)前饋控制可獲得較高的控制精度。靜態(tài)前饋控制只能保證被控制參數(shù)的靜態(tài)偏差接近或等于零，不考慮由于過程擾動通道的時間常數(shù)和控制通道的時間常數(shù)不同，不能消除過度過程中所產(chǎn)生的動態(tài)偏差。當需要嚴格控制動態(tài)偏差時，就要采用動態(tài)前饋控制。當被控對象的干擾較多，或不能精確辨識干擾對被控對象的影響時，可以采用前饋-反饋控制。利用前饋控制對主要干擾對象進行控4制，通過反饋控制抑制由于辨識不精確以及其他

9、干擾引起的誤差。也就是說，前饋-反饋控制系統(tǒng)將干擾分成兩個等級，對影響大的干擾采用前饋補償，保證系統(tǒng)輸出不會有過大的波動，對于影響小的干擾允許引起系統(tǒng)輸出的偏差，通過偏差進行補償。當被控對象較復雜，干擾較多，要求控制較為精細時，應采用前饋 -串級控制。1.1.5 經(jīng)濟性原則靜態(tài)前饋控制簡單，一般采用比例調(diào)節(jié)器或比值器就能滿足使用要求。 而通常動態(tài)前饋控制要采用專用的控制器，投資高于靜態(tài)前饋控制，所以，若靜態(tài)前饋能達到工藝要求時，則首先選用靜態(tài)前饋控制。2、工程整定2.1 整定的總體原則前饋控制系統(tǒng)整定主要涉及的問題是穩(wěn)定性、快速性和反饋控制的靜差問題。2.1.1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)正常工作

10、的首要條件。對過程控制來說，穩(wěn)定性問題不但涉及穩(wěn)態(tài)情況，更涉及干擾擾動問題。干擾對過程控制的影響主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)模型識別精確性降低、系統(tǒng)模型參數(shù)離散性變大、系統(tǒng)遠離原模型靜態(tài)工作點、系統(tǒng)工作進入非線性區(qū)等。干擾的主要后果是使控制系統(tǒng)處于不穩(wěn)定，甚至處于不安全工作狀態(tài)。2.1.2 快速性應保證系統(tǒng)響應的快速性。2.1.3 反饋控制的靜差在穩(wěn)態(tài)時，反饋控制應能較好地反應系統(tǒng)的控制要求，應做到系 統(tǒng)響應和控制要求的一致，故系統(tǒng)跟蹤不應存在靜差。3、前饋-反饋復合系統(tǒng)工程整定前饋-反饋復合控制的工程整定方法主要有：。前饋控制和反饋分別整定，確定各自參數(shù)，然后組合在一起。甘首先整定反饋控制系統(tǒng)，然后再在

11、反饋的基礎上引入前饋控制系 統(tǒng)，并對前饋控制系統(tǒng)進行整定。6三、心得體會通過本例的仿真，我們認識到前饋-反饋復合控制方法相比傳統(tǒng)PID 控制，具有穩(wěn)定性好、自適應性好、能顯著提高系統(tǒng)控制品質(zhì)等有點。在這次仿真過程中，我們查閱了自動控制系統(tǒng)的相關材料，一定程度上對自動控制系統(tǒng)和其發(fā)展現(xiàn)狀有了認識了解。根據(jù)仿真要求，我們經(jīng)過對系統(tǒng)參數(shù)進行分析和整定，得到了仿真結(jié)果并對結(jié)果進行分析，進一步了解到了，前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的特點。在做的過程中， 我們遇到了問題都盡力通過查閱資料解決，不過還有一定的不足，促使我們在以后學習中努力補缺補漏加以解決?？偟脕碚f，通過這次實例仿真，使我們對過程控制系統(tǒng)有了更深入的了解，進行理論與實踐的結(jié)合，為我們以后的學習和工作打下了更好的基礎，在今后的日子里，我們將理論與實踐更深入結(jié)合，充分運用于工作中。12四：參考文獻1孫優(yōu)賢.工業(yè)過程控制技術-應用篇.北京：化學工業(yè)出版社，2006.1 : 79-1352何衍慶.工業(yè)生產(chǎn)過程控制.北京：化學工業(yè)