1、 目 錄 一、前饋控制系統(tǒng)設(shè)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.2 1.2 控制系統(tǒng)精確辨識原則.2 1.3被控系統(tǒng)自衡原則.3 1.4 優(yōu)先性原則.3 1.5 經(jīng)濟(jì)性原則.4 2、工程整定 2.1 整定的總體原則 2.1.1 穩(wěn)定性.4 2.1.2快速性.5 2.1.3 反饋控制的靜差.5 3、前饋-反饋復(fù)合系統(tǒng)工程整定.5二、實例仿真.6 2.1前饋控制系統(tǒng)整定.7 2.2反饋控制系統(tǒng)前向通道穩(wěn)定性分析.7 2.3、反饋控制系統(tǒng)整定.8 2.4、系統(tǒng)仿真.9三、心得體會.11四、參考文獻(xiàn).12 1 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

2、-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)、前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)等。其中，前饋-反饋復(fù)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(fù)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(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)=e-10s 系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為：G1(s)G2(s)=e-8s 給定部分傳

3、遞函數(shù)為：Gc(s)=1 6 2.1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：21開環(huán)Bode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

4、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0 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(fù)合控制Simulink框圖0 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

5、取前饋控制提高了系統(tǒng)控制品質(zhì)。0一、前饋控制系統(tǒng)設(shè)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(bǔ)償?shù)那疤釛l件，不可測的擾動量無法設(shè)計前饋補(bǔ)償器。如果干擾可控，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(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

6、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(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)精確辨識原則 控制中的每一個環(huán)節(jié)的傳遞特性都應(yīng)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)都應(yīng)盡可能準(zhǔn)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。01.1.3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(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

7、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(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(dāng)過程擾動通道與控制通道的時延相差不大時應(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通道的時間常數(shù)和控制通道的時間常數(shù)不同，不能消

8、除過度過程中所產(chǎn)生的動態(tài)偏差。當(dāng)需要嚴(yán)格控制動態(tài)偏差時，就要采用動態(tài)前饋控制。 當(dāng)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(jìn)行控0制，通過反饋控制抑制由于辨識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)將干擾分成兩個等級，對影響大的干擾采用前饋補(bǔ)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(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，應(yīng)采用前饋-串級控制。1.1.5 經(jīng)濟(jì)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

9、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，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(yuǎn)離原模型靜態(tài)工作點、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)處于不穩(wěn)定，甚至處于不安全工作狀態(tài)。02.1.2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，

10、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。5三、心得體會 通過本例的仿真，我們認(rèn)識到前饋-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。 在這次仿真過程中，我們查閱了自動控制系統(tǒng)的相關(guān)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(rèn)識了解。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，進(jìn)一步了解到了，前饋-反饋復(fù)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(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，我們將理論與實踐更深入結(jié)合，充分運用于工作中。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，2006.1：79-135 2 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：