前饋反饋控制系統(tǒng)方案

1、下載可編輯目錄一、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、前饋控制系統(tǒng)選擇原則1.1 擾動(dòng)量可測不可控原則 21.2 控制系統(tǒng)精確辨識(shí)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(jì)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(fù)合系統(tǒng)工程整定 5二、實(shí)例仿真 62.1 前饋控制系統(tǒng)整定 72.2 反饋控制系統(tǒng)前向通道穩(wěn)定性分析 72.3、 反饋控制系統(tǒng)整定 82.4、系統(tǒng)仿真 9三、心得體會(huì) 11四、參考文獻(xiàn) 12一、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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

2、.1 擾動(dòng)量可測不可控原則擾動(dòng)量的可測性是補(bǔ)償?shù)那疤釛l件 ，不可測的擾動(dòng)量無法設(shè)計(jì)前 饋補(bǔ)償器 。如果干擾可控 ，則可通過控制方法消除擾動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)室 中，溫度可以通過空調(diào)等進(jìn)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(shí)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(shí)

3、應(yīng)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(shí)原則控制中的每一個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞特性都應(yīng)能精確辨識(shí)。 作為開環(huán)控制，構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)盡可能準(zhǔn)確 ， 因?yàn)殚_ 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。1.1.3 被控系統(tǒng)自衡原則在非自衡系統(tǒng)中不能單獨(dú)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(yīng)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(dòng) 態(tài)前饋控制 、前饋

4、-反饋控制、前饋-串級(jí)控制 。由于反饋控制能時(shí)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(dòng)控制在允許范圍之內(nèi) 。所以，系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先 考慮采用反饋控制 。當(dāng)存在反饋控制難以克服的頻率高 、幅值大 、對被控參數(shù)影響顯 著、 可測而不可控的擾動(dòng)或控制系統(tǒng)通道時(shí)延較大 、反饋控制又不 能得到良好的控制效果時(shí) ，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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中 ，尤其當(dāng)過程擾動(dòng)通道與控制通道的時(shí)延 相差不大時(shí)應(yīng)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(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)和控制通道的

5、時(shí)間常數(shù)不同 ， 不能消除過度過 程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)偏差 。當(dāng)需要嚴(yán)格控制動(dòng)態(tài)偏差時(shí) ， 就要采用動(dòng) 態(tài)前饋控制 。當(dāng)被控對象的干擾較多 ，或不能精確辨識(shí)干擾對被控對象的影響 時(shí)，可以采用前饋 - 反饋控制 。利用前饋控制對主要干擾對象進(jìn)行控制，通過反饋控制抑制由于辨識(shí)不精確以及其他干擾引起的誤差 。也就是說 ，前饋 -反饋控制系統(tǒng)將干擾分成兩個(gè)等級(jí) ，對影響大 的干擾采用前饋補(bǔ)償 ， 保證系統(tǒng)輸出不會(huì)有過大的波動(dòng) ，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(jìn)行補(bǔ)償 。當(dāng)被控對象較復(fù)雜 ，干擾較多 ，要求控制較為精細(xì)時(shí) ，應(yīng)采用前 饋 -串級(jí)控制 。1.1.5 經(jīng)濟(jì)性原則靜態(tài)前饋控制

6、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(dòng)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(dá)到工藝要求時(shí) ，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(dòng)問題 。干擾對過程控制的影響主要體現(xiàn)在 ：系統(tǒng)模型識(shí)別精確性降低 、 系統(tǒng)模型參數(shù)離散性變大 、系統(tǒng)遠(yuǎn)離原模型靜態(tài)工作點(diǎn) 、系統(tǒng)工作 進(jìn)入非線性區(qū)等 。 干擾的主要后果是使控制系統(tǒng)處于

7、不穩(wěn)定 ，甚至 處于不安全工作狀態(tài) 。2.1.2 快速性應(yīng)保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性 。2.1.3 反饋控制的靜差在穩(wěn)態(tài)時(shí) ，反饋控制應(yīng)能較好地反應(yīng)系統(tǒng)的控制要求 ，應(yīng)做到系 統(tǒng)響應(yīng)和控制要求的一致 ， 故系統(tǒng)跟蹤不應(yīng)存在靜差 。3、前饋 -反饋復(fù)合系統(tǒng)工程整定前饋 -反饋復(fù)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 。 首先整定反饋控制系統(tǒng) ，然后再在反饋的基礎(chǔ)上引入前饋控制系 統(tǒng)，并對前饋控制系統(tǒng)進(jìn)行整定 。.專業(yè) .整理 .二、實(shí)例仿真系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分類 ，可分為 ：靜態(tài)前饋控制 、動(dòng)態(tài)前饋控制 、前 饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng) 、前饋 -串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)等

8、。其中，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shí) 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(fù)合控制系統(tǒng)仿真主要包括 ： 系統(tǒng)識(shí)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(shè)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)=15e-10s(8s 1)(10s 1)系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為 ：G1(s)

9、G2(s)= (5s 1)6(10s 1)e-8s給定部分傳遞函數(shù)為 ：Gc(s)=12.1 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,Tdl=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(fù)合控制系統(tǒng)方框圖2.2 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(shí)驗(yàn)調(diào)試中正確把握試驗(yàn)方法 、試驗(yàn)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6(3s 1)(10s 1)(5s 1) 2開環(huán) Bod

10、e 圖如圖 2.2.1 所示，可見開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定2.2.1 反饋控制 （不含控制器 ）開環(huán) Bode 圖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(yīng)法整定 PI 參數(shù) 。開 環(huán)階躍響應(yīng) Simulink 框圖如圖所示 。單位階躍響應(yīng)曲線如圖 2.3.1 所示。2.3.1 開環(huán)階躍響應(yīng) Simulink 框圖2.3.2 開環(huán)系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)其中階躍輸入控制量 u=1 。因此得 ：2.4 、系統(tǒng)仿真 。 利用各整定參數(shù)及系統(tǒng)模型辨識(shí)結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)前饋 - 反饋復(fù)合控制Simulink 框圖 2.4.1 所示，其中各個(gè)模塊的具體結(jié)構(gòu)如 2.4.2 所示 ， 仿真結(jié)果如 2

11、.4.3 所示 。2.4.1 系統(tǒng)前饋 -反饋復(fù)合控制 Simulink 框圖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(fù)合控制 Simulink 仿真結(jié)果 采取前饋 - 反饋復(fù)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)三、心得體會(huì)通過本例的仿真 ，我們認(rèn)識(shí)到前饋 - 反饋復(fù)合控制方法相比傳統(tǒng) PID 控制 ，具有穩(wěn)定性好 、自適應(yīng)性好 、能顯著提高系統(tǒng)控制品質(zhì) 等有點(diǎn) 。在這次仿真過程中 ，我們查閱了自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)材料 ， 一定 程度上對自動(dòng)控制系統(tǒng)和其發(fā)展現(xiàn)狀有了認(rèn)識(shí)了解 。 根據(jù)仿真要 求， 我們經(jīng)過對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析和整定 ，得到了仿真結(jié)果并對結(jié) 果進(jìn)行分析 ，

12、進(jìn)一步了解到了 ，前饋 -反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 。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(xué)習(xí)中努力補(bǔ)缺補(bǔ)漏加以解決 。總得來說 ，通過這次實(shí)例仿真 ，使我們對過程控制系統(tǒng)有了更 深入的了解 ， 進(jìn)行理論與實(shí)踐的結(jié)合 ，為我們以后的學(xué)習(xí)和工作打 下了更好的基礎(chǔ) ，在今后的日子里 ，我們將理論與實(shí)踐更深入結(jié) 合，充分運(yùn)用于工作中 。四：參考文獻(xiàn)1 孫優(yōu)賢 .工業(yè)過程控制技術(shù) -應(yīng)用篇 .北京 ：化學(xué)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(xué)工業(yè)出版社 ， 2004.3 ： 77-883 邵裕森 .過程控制工程 （第二版 ） .北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社