前饋控制系統(tǒng)

1、實驗名稱： 前饋控制系統(tǒng) 班級： 姓名： 學(xué)號： 實驗四 前饋控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?通過本實驗，了解前饋控制系統(tǒng)的根本結(jié)構(gòu)及工作原理。2掌握前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計思想和控制器的參數(shù)整定方法。二、實驗原理干擾對系統(tǒng)的作用是通過干擾通道進(jìn)行的。前饋控制的原理是給系統(tǒng)附加一個前饋通道或稱前饋控制器，使所測量的系統(tǒng)擾動通過前饋控制器改變控制量。利用擾動所附加的控制量與擾動對被控制量影響的疊加消除或減小干擾的影響。 前饋控制系統(tǒng)主要特點如下：1) 屬于開環(huán)控制 只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，那么控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。但假設(shè)系統(tǒng)中有一個環(huán)節(jié)不穩(wěn)定，或局部不穩(wěn)定，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。另外，系統(tǒng)的控制精度取決于構(gòu)成控制系統(tǒng)的每

2、一局部的精度，所以對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較高。2) 很強(qiáng)的補償局限性 前饋控制實際是利用同一干擾源經(jīng)過干擾通道和前饋通道對系統(tǒng)的作用的疊加來消除干擾的影響。因此，固定的前饋控制只對相應(yīng)的干擾源起作用，而對其他干擾沒有影響。而且，在工程實際中，影響生產(chǎn)過程的原因多種多樣，系統(tǒng)隨時間、工作狀態(tài)、環(huán)境等情況的變化，也會發(fā)生變化甚至表現(xiàn)出非線性，這些都導(dǎo)致不可能精確確定某一干擾對系統(tǒng)影響的程度或數(shù)學(xué)描述關(guān)系式。因此，前饋控制即使對單一干擾也難以完全補償。3) 前饋控制反響迅速 在前饋控制系統(tǒng)中，信息流只向前運行，沒有反響問題，因此相應(yīng)提高了系統(tǒng)反響的速度。當(dāng)擾動發(fā)生后，前饋控制器及時動作，對抑制被控制量

3、由于擾動引起的動靜態(tài)偏差比擬有效。這非常有利于大遲滯系統(tǒng)的控制。4) 只能用于可測的干擾 對不可測干擾，由于無法構(gòu)造前饋控制器而不能使用。 按結(jié)構(gòu)，前饋控制可分為靜態(tài)前饋控制、動態(tài)前饋控制、前饋-反響復(fù)合控制系統(tǒng)、前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)等。一個典型的前饋-反響復(fù)合控制系統(tǒng)如圖1所示。前饋-反響復(fù)合控制和前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)的工程整定方法主要有兩種：1) 前饋控制和反響或串級分別整定，確定各自參數(shù)，然后組合在一起；2) 首先整定反響控制系統(tǒng)或串級控制系統(tǒng)，然后再在反響或串級的根底上引入前饋控制系統(tǒng)，并對前饋控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。其中前饋控制的整定分成靜態(tài)前饋系數(shù)整定、時間常數(shù)整定兩步。圖1 前饋-

4、反響復(fù)合控制系統(tǒng)框圖單純靜態(tài)前饋系數(shù)整定有三種方法：1) 當(dāng)系統(tǒng)無前饋時，設(shè)系統(tǒng)在輸入x0(此時對應(yīng)控制量為u0)，擾動m0作用下，系統(tǒng)輸出為y0；改變擾動為m1后，改變輸入為x1(此時對應(yīng)控制量為u1)，維持系統(tǒng)輸出為y0不變。那么所求前饋控制器的靜態(tài)放大系數(shù)為：2) 當(dāng)系統(tǒng)無前饋時，設(shè)系統(tǒng)在輸入x0，擾動m0作用下，系統(tǒng)輸出為y0；然后接入前饋回路，調(diào)節(jié)前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)k使系統(tǒng)的輸出回復(fù)為y0，此時的k值為所求的前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)。3) 利用系統(tǒng)辨識方法，分別得到控制通道的傳遞函數(shù) 和擾動通道的傳遞函數(shù) ，那么所求前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)為：時間常數(shù)整定的方法。前饋控制器通常具有以下形式

5、：其中Kd為靜態(tài)前饋系數(shù)。該形式的前饋調(diào)節(jié)器實際上是超前滯后補償器，假設(shè)起超前補償作用(此時干擾通道時延小于前饋控制通道時延)，那么Td1> Td2；假設(shè)起滯后補償作用(此時干擾通道時延大于前饋控制通道時延)，那么Td1< Td2。三、實驗過程與數(shù)據(jù)假設(shè)系統(tǒng)干擾通道傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)被控局部傳遞函數(shù)為 反響回路傳遞函數(shù)為 1該控制系統(tǒng)的Simulink仿真圖如圖2圖2 控制系統(tǒng)仿真圖(2) 斷開反響回路，求靜態(tài)前饋系數(shù)和動態(tài)時間常數(shù)，仿真框圖如圖3。圖3 求靜態(tài)前饋系數(shù)仿真圖求靜態(tài)前饋系數(shù)可用兩種方法求解：方法一：通過系統(tǒng)辨識法控制通道的傳遞函數(shù)為： =擾動通道的傳遞函數(shù) = 那么所

6、求前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)為：= -2.5方法二：調(diào)試法求靜態(tài)前饋系數(shù)首先，當(dāng)不接入靜態(tài)前饋系數(shù)k，輸入x(t)=5，擾動m=0時，系統(tǒng)輸出如圖4圖4 不接入靜態(tài)前饋系數(shù)k，輸入x(t)=5，擾動m=0時，系統(tǒng)輸出圖當(dāng)輸入x(t)=5，擾動m為單位階躍信號，靜態(tài)前饋系數(shù)k分別取值-0.1，-1，-2.5，-3.5，-4.5時的曲線如下列圖5圖5 調(diào)試法求靜態(tài)前饋系數(shù)由上圖可看出，k= -2.5時，系統(tǒng)輸出與無干擾時輸出是一致的，說明此時前饋將干擾對系統(tǒng)的影響根本消除了，所以k= -2.5 即為所求。動態(tài)前饋控制器時間常數(shù)整定 輸入設(shè)為x(t)=1,擾動m為單位階躍信號。接入如圖7的動態(tài)前饋調(diào)節(jié)器，

7、靜態(tài)前饋系數(shù)為Kd= -2.5。其中前饋控制器形式為：系統(tǒng)仿真如圖6：圖6 動態(tài)前饋控制器時間常數(shù)整定圖7 動態(tài)前饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Td1、Td2 得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖8，其中有一條無擾動時的曲線，當(dāng)Td1=5、Td2=8時，系統(tǒng)補償較為理想。圖8動態(tài)前饋時間常數(shù)整定過程3斷開前饋回路，整定反響控制器參數(shù)，系統(tǒng)的仿真圖如圖9圖9 反響控制器參數(shù)整定圖采用臨界比例度法整定PID，當(dāng)KC=0.461時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩如圖10，臨界周期Tk=35.7，所以由表1-1可計算出PI參數(shù)：表1-1 臨界比例度整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式控制器類型控制器參數(shù)P(KC)I(TI)/minD(TD)/minP0.5KCPI0.45KC0.83TkPID0.6KC0.5Tk0.12Tk圖10 當(dāng)KC=0.461時，系統(tǒng)等幅振蕩采用PI控制器：KP=，KI=KP,經(jīng)過細(xì)微調(diào)整后，把PI參數(shù)設(shè)為KP=0.2，KI=0.01,系統(tǒng)響應(yīng)如圖11。圖11 PI控制系統(tǒng)響應(yīng)圖4利用各整定參數(shù)構(gòu)建前