前饋控制技術(shù)及其應(yīng)用仿真研究

1、前饋控制技術(shù)及其應(yīng)用仿真研究*王迪王秋平*(1.東北電力大學自動化工程學院自動化專業(yè)12屆畢業(yè)生，吉林，吉林132012；2.東北電力大學自動化工程學院，吉林，吉林132012)摘要：本文依據(jù)前饋控制技術(shù)的基本原理，為滿足空調(diào)系統(tǒng)中對負荷變化及時調(diào)整流量的控制要求，利用Matlab/Simulink仿真平臺，對其進行前饋仿真設(shè)計，并與常規(guī)PID控制進行比較，同時分析各類前饋控制的特點。最后得到滿足要求并具有實際應(yīng)用性的的控制方案，即靜態(tài)前饋控制。關(guān)鍵詞：前饋控制，Simulink，空調(diào)房間引言當今日益流行的智能建筑中空調(diào)更是不可缺少的設(shè)備，而眾所周知空調(diào)是能源消耗大戶，在能源利用中擔任重要角色

2、，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以大大提高能源的利用率，其中自控系統(tǒng)的配置是運行節(jié)能實現(xiàn)的重要因素。冷熱負荷是空調(diào)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，中央空調(diào)系統(tǒng)的負荷是不斷變化的，而設(shè)計者是按最大負荷選擇系統(tǒng)的，這會造成能量的浪費，利用變流量調(diào)節(jié)可以提高中央空調(diào)系統(tǒng)能量的利用，如何使流量根據(jù)負荷變化快速響應(yīng)是本文研究的重點，近年來發(fā)展較快的先進的控制技術(shù)是前饋控制。前饋控制通過預(yù)測未來的負荷值，計算出后一段時間的送風、水流量(前饋信號)，結(jié)合當前信息完成控制。前饋控制原理對于存在擾動的系統(tǒng)，可以直接按照擾動進行控制，稱作前饋控制，在理論上，它可以完全消除擾動引起的偏差。在加有前饋控制的系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)擾動，前饋調(diào)節(jié)器就

3、直接根據(jù)擾動的大小和方向，按照前饋調(diào)節(jié)規(guī)律，補償擾動對被控量的影響。由于慣性和純滯后，擾動作用到系統(tǒng)上，被控量尚未發(fā)生變化，前饋調(diào)節(jié)器就進行了補償，如果補償作用恰到好處，可以使被控量不會因擾動作用而產(chǎn)生偏差。前饋控制的設(shè)計依據(jù)是不變性原理?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控量與擾動量完全無關(guān)，或在一定準確度下無關(guān)。然而進入控制系統(tǒng)中的擾動必然通過被控對象的內(nèi)部聯(lián)系，使被控量發(fā)生偏離其給定值的變化。而不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動對被控量的這種影響。前饋控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。Y二X-GGG+M(GG+G)G(1-1)123d2f3由式(1-1)可見，不論原系統(tǒng)如何，只要能夠測得干擾

4、M及干擾通道G(s)就可構(gòu)造出G(s)使下式成立：dGG二一一f(1-2)dG2Gd(s)-可測干擾M1Gf(s)XG1(s)-_G2(s)LG3Y圖1前饋控制原理圖按結(jié)構(gòu)，前饋控制系統(tǒng)可分為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)，動態(tài)前饋控制系統(tǒng)，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，前饋-串級控制系統(tǒng)?？刂茖ο蟮慕榻B及仿真本文選擇空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)房間部分作為被控對象，空調(diào)房間的自動控制主要是室溫控制，它是空氣控制系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，要用到設(shè)置在室內(nèi)的測溫傳感器測定室內(nèi)空氣溫度信號，并將此信號傳遞給溫度調(diào)節(jié)器進行運算放大，發(fā)出控制指令信號，以控制相應(yīng)的執(zhí)行控制機構(gòu)，使送風溫度或送風溫度隨偏差量的大小而發(fā)生變化，以滿足空調(diào)房間溫度

5、控制的要求。根據(jù)相關(guān)資料，在假設(shè)沒有相關(guān)滯后環(huán)節(jié)后得出空調(diào)房間的溫度傳遞函數(shù)為1.19G(s)=，選擇空調(diào)房間的負荷變化作為干擾，分別加入靜態(tài)前饋，動態(tài)前饋，前(5s+2)s饋-串級控制控制技術(shù)。在這里前饋并不是單獨使用的，由于開環(huán)控制很難知道補償?shù)男Ч?，往往加入反饋控制與之相結(jié)合。圖2加入靜態(tài)前饋的模型結(jié)構(gòu)框圖圖4加入前饋-串級的模型結(jié)構(gòu)框圖圖45仿真結(jié)果圖隨著仿真時間的加長，我們發(fā)現(xiàn)動態(tài)前饋控制優(yōu)于靜態(tài)前饋控制，同時，對于此控制對象而言，前饋-串級控制與動態(tài)前饋控制系統(tǒng)的仿真曲線完全一致且與不受干擾時的曲線幾乎完全一致。其實，當擾動通道和控制通道的時間常數(shù)接近的時候，引入前饋控制可以顯著提

6、高控制性能，由于控制效果明顯，通常采用靜態(tài)前饋就能滿足要求了。動態(tài)前饋比靜態(tài)前饋復(fù)雜，參數(shù)的整定也比較麻煩。因此，在靜態(tài)前饋能夠滿足工藝要求的時候，盡量不采用動態(tài)前饋。實際工程中，通?？刂仆ǖ篮蛿_動通道的慣性時間和純滯后時間接近，往往采用靜態(tài)前饋就能獲得良好的控制效果。而對于文中的空調(diào)房間控制對象，相比航空航天的技術(shù)領(lǐng)域，要求的性能指標沒有必要特別高，所以采用靜態(tài)前饋控制即可。而動態(tài)前饋控制前饋-串級控制只是在理論上由于靜態(tài)前饋控制。究其原因，其實動態(tài)前饋控制的前饋算式輸出的不僅是擾動量的函數(shù)，而且是時間的函數(shù)，所以相比靜態(tài)前饋控制更完善，而前饋-串級控制更是能因為自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)達到完全補償?shù)?/p>

7、效果為了進一步研究前饋控制與PID控制的優(yōu)劣，本文建立了加入PID控制器的模型，通過試湊法進行了PID控制器的參數(shù)整定。圖5加入PID控制器的模型結(jié)構(gòu)圖圖6PID控制仿真結(jié)果圖經(jīng)觀察得：前饋控制優(yōu)于PID控制，前饋控制的上升時間和調(diào)節(jié)時間比PID控制短，且在動態(tài)過程的振蕩次數(shù)少于PID控制，最重要的是我們發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長，PID的波動還是比較明顯的，而前饋控制幾乎沒有波動。根據(jù)控制系統(tǒng)的動態(tài)指標，結(jié)合自動控制原理的快速性，準確性，穩(wěn)定性的要求。我們可以得出結(jié)論：前饋控制能達到優(yōu)化控制的目的和傳統(tǒng)的PID控制模式相比具有一定的優(yōu)越性。結(jié)論前饋控制作為產(chǎn)生比較早，但由于設(shè)備技術(shù)的限制而發(fā)展比較

8、緩慢的控制技術(shù)，在近幾年，隨著科學的技術(shù)的進步，人們原來越重視它的發(fā)展，同時因為其能及時補償因干擾引起的的變化的優(yōu)點，在越來越多的實際應(yīng)用中，前饋控制技術(shù)的作用都得到了充分的發(fā)揮。這在很大程度上，提高了我國自動化應(yīng)用程度。本文研究了前饋控制技術(shù)的基本原理及特點，深入分析了前饋控制的幾種重要分類。從前饋控制技術(shù)的基本原理出發(fā)，針對空調(diào)系統(tǒng)中對負荷變化及時調(diào)整流量的控制要求，利用Matlab/Simulink仿真平臺，根據(jù)給定的空調(diào)房間負荷傳遞函數(shù)及器件參數(shù)，對其進行前饋仿真設(shè)計，并與常規(guī)PID控制進行比較，同時分析各類前饋控制的特點。通過仿真計算得出結(jié)論有以下幾點：在以空調(diào)系統(tǒng)為控制對象中，前饋

9、控制技術(shù)對干擾的改善性能優(yōu)于常規(guī)PID控制的調(diào)節(jié)。在該控制對象中，動態(tài)前饋與前饋-串級的控制性能幾乎完全一致，然而，通過分析，前饋-串級控制技術(shù)優(yōu)于前者。在該實際用當中，由于條件的限制，同時針對應(yīng)用過程中沒有必要特別“精細”的特點，因為動態(tài)前饋及前饋-串級的技術(shù)要求遠遠高于靜態(tài)前饋，所以最終采用靜態(tài)前饋控制。FeedforwardcontroltechnologyanditsapplicationsimulationresearchWangdi,wangqiuping(1.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin

10、,China,132012；2.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin,China,132012)Abstract:ThisarticlestartsfromthebasicprinciplesofFeedforwardcontroltechnology,aimesattheairconditioningsystemduetochangesintheloadneedstimelyadjustmentofflowcontrolinairconditioningroom.UsingMatlab/Simulinksimulationplatform,accordingtothegivenair-conditionedroomtransferfunctionanddeviceparameters,designsthefeedforwardcontrolsimulation,andcompareswiththeconventionalPIDcontrol,andanalysi