基于MATLAB 的前饋控制系統(tǒng)仿真與應(yīng)用

張松蘭

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖241006）

工業(yè)生產(chǎn)過程中隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，在被控過程中常出現(xiàn)大量的干擾，而生產(chǎn)工藝的技術(shù)和要求越來越高，對于生產(chǎn)中的干擾如果采用常規(guī)的反饋控制，控制通道又太長此時系統(tǒng)會出現(xiàn)超調(diào)很難獲得較好的控制質(zhì)量，由此提出了前饋控制的思想。單純的前饋控制是一種根據(jù)干擾量進(jìn)行控制的開環(huán)控制，會提高控制速度。反饋控制是根據(jù)偏差進(jìn)行控制，只有等到干擾影響到輸出量后且檢測裝置反饋到控制通道之后，經(jīng)過一段時間后才能作用到被控過程，控制器采用合適的控制規(guī)律會提高控制精度但快速性會降低，在實際的工業(yè)過程中一般將前饋與反饋控制相結(jié)合，對不同的干擾采取不同的控制方案，可以同時發(fā)揮反饋控制和前饋控制的優(yōu)點[1-3]。本文圍繞過程控制中的前饋控制、反饋控制及串級控制展開仿真研究。

1 前饋控制的基本原理

圖1 是前饋控制系統(tǒng)的框圖，系統(tǒng)為一開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出量與輸入量相對應(yīng)，在干擾作用下，輸出量會偏離給定輸入對應(yīng)的輸出量，加入前饋控制器可在干擾影響輸出量的同時進(jìn)行控制，因此可以克服此干擾量的影響。前饋控制器有靜態(tài)前饋補(bǔ)償和動態(tài)前饋補(bǔ)償兩種方式，靜態(tài)前饋主要對輸出量的靜態(tài)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，不能消除控制過程中的動態(tài)偏差。

圖1 前饋控制系統(tǒng)框圖

圖2 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)輸出

為比較靜態(tài)前饋與動態(tài)前饋的區(qū)別，在同樣的干擾作用下，前饋控制器采取動態(tài)前饋補(bǔ)償，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖3 所示，圖中系統(tǒng)無隨機(jī)干擾響應(yīng)曲線是一光滑曲線，動態(tài)前饋補(bǔ)償響應(yīng)曲線與開環(huán)系統(tǒng)無干擾作用下的響應(yīng)曲線很接近，系統(tǒng)受干擾影響后在動態(tài)前饋控制作用下，響應(yīng)曲線在理論響應(yīng)曲線上極小范圍內(nèi)波動，動態(tài)補(bǔ)償效果很好，而靜態(tài)前饋補(bǔ)償在穩(wěn)態(tài)起作用，在動態(tài)過程中有偏差效果不太好，要提高動態(tài)過程的響應(yīng)精度需要采取動態(tài)補(bǔ)償。

圖3 動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋控制的比較

2 前饋-反饋控制系統(tǒng)

由于前饋控制器只能針對某一種干擾設(shè)計前饋控制器，而對其他干擾無能為力，實際生產(chǎn)過程中的干擾源很多，在設(shè)計中不可能對每一種干擾都設(shè)計一個前饋控制器，故一般采用前饋加反饋的控制方式，對主要的頻繁的干擾采用前饋控制，其他的干擾使用反饋控制，這樣結(jié)合了兩種控制方式的優(yōu)點可提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 前饋反饋控制系統(tǒng)框圖

在圖3 的仿真中系統(tǒng)輸出量與給定輸入量相對應(yīng)，沒有實現(xiàn)跟蹤給定值，如果系統(tǒng)控制精度較高，要實現(xiàn)定值控制，則需要在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對干擾源采用前饋控制組成復(fù)合控制系統(tǒng)。仍以前面的開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，反饋控制器采用PI 控制，參數(shù)Kp=0.5，Ki=0.2 分別得到靜態(tài)前饋加反饋和動態(tài)前饋加反饋系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖5 所示。動態(tài)前饋可在系統(tǒng)的動態(tài)過程中起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的超調(diào)量較小，響應(yīng)時間也快，靜態(tài)前饋受干擾影響較大，但補(bǔ)償了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。對比無反饋的前饋控制系統(tǒng)，加入反饋后系統(tǒng)可實現(xiàn)對給定值的跟蹤，完成精確控制。

圖5 前饋-反饋控制響應(yīng)曲線

3 前饋串級控制系統(tǒng)

實際工業(yè)生產(chǎn)過程中有些過程比較復(fù)雜或是滯后比較大要引入串級控制，如石油工業(yè)中的管式加熱爐[5]要把原油加熱到一定的溫度，工藝要求油料出口溫度波動較小。原料油和燃料油流量波動是主要的干擾因素，在設(shè)計控制系統(tǒng)時，將燃料油流量的波動通過燃料進(jìn)料閥進(jìn)行調(diào)節(jié)作為內(nèi)環(huán)，原油出口溫度作為系統(tǒng)輸出量，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，對原油流量的波動采用前饋控制，前饋串級控制系統(tǒng)框圖如圖6 所示[6]。

圖6 前饋串級控制系統(tǒng)框圖

為便于比較此處的傳遞函數(shù)仍用前面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)，主控制器[7-8]采用PID 控制，參數(shù)為Kp=0.8，Ki=0.3，Kd=2，副控制器采用P 控制，比例系數(shù)為Kp=1，干擾源取幅值為5 的隨機(jī)干擾，得到系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖7 所示。與前饋反饋相比較，串級控制顯著提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，快速性較好。

圖7 前饋-反饋控制響應(yīng)曲線

對前饋串級控制系統(tǒng)中加熱爐對象的通道延遲時間作±20%的變動，主副控制器參數(shù)保持不變，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如圖8所示，圖中可看出動態(tài)過程變化響應(yīng)曲線不明顯，系統(tǒng)輸出量在給定值的小范圍內(nèi)波動，在參數(shù)變化時主副控制器的參數(shù)適應(yīng)能力較強(qiáng)。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時的響應(yīng)曲線圖

結(jié)束語

本文主要討論了前饋控制的基本思想，分析了前饋控制與反饋控制的特點，比較了動態(tài)前饋控制和靜態(tài)前饋控制的不同，并將前饋控制與反饋控制及串級控制相結(jié)合組成復(fù)合控制系統(tǒng)做了仿真研究，對前饋控制做了橫向和縱向的仿真實踐，增強(qiáng)初學(xué)者前饋控制的理解和感性認(rèn)識。