前饋控制系統(tǒng)

1、前饋控制系統(tǒng)實驗名稱：前饋控制系統(tǒng)班級：姓名：學號：實驗四前饋控制系統(tǒng)一、實驗目的(1)通過本實驗，了解前饋控制系統(tǒng)的基本結(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，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。但若系統(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

2、系統(tǒng)的每一部分的精度，所以對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較高。2）很強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）前饋控制反應迅速在前饋控制系統(tǒng)中，信息流只向前運行，沒有反饋問題，因此相應提高了 系統(tǒng)反應的速度。當擾動發(fā)生后，前饋控制器及時動作，對

3、抑制被控制量由于 擾動引起的動靜態(tài)偏差比較有效。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-反饋復合控制系統(tǒng)、前饋-申級復合控制系統(tǒng)等。一個典型的前饋-反饋復合控制系統(tǒng)如圖 所小。前饋-反饋復合控制和前饋-用級復合控制系統(tǒng)的工程整定方法主要有兩種：1）前饋控制和反饋或?qū)徏壏謩e整定，確定各自參數(shù)，然后組合在一起；2）首先整定反饋控制系統(tǒng)或?qū)徏壙刂葡到y(tǒng)，然后再在反饋或用級的基礎(chǔ)上 引入前饋控制系統(tǒng)，并對前饋控制系統(tǒng)進行整定。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

4、饋反饋復合控制系統(tǒng)框圖單純靜態(tài)前饋系數(shù)整定有三種方法：1）當系統(tǒng)無前饋時，設(shè)系統(tǒng)在輸入X0（此時對應控制量為U0）,擾動m0作用 下，系統(tǒng)輸出為yo；改變擾動為mi后，改變輸入為xi（此時對應控制量為ui）, 維持系統(tǒng)輸出為yo不變。則所求前饋控制器的靜態(tài)放大系數(shù)為：Ui Uomimo2）當系統(tǒng)無前饋時，設(shè)系統(tǒng)在輸入xo,擾動m。作用下，系統(tǒng)輸出為yo；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)的輸出回復為yo,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)Gi（s）G2（s）和擾動通道的傳遞函數(shù)Gf（s）G2（s）,則所求前饋控制器的靜

5、態(tài)系數(shù)為：/吟s)s oGi(s)G2(s)時間常數(shù)整定的方法。前饋控制器通常具有以下形式:Gd(s)KdTdisiTd2si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，若起超前補償作用 （此時干 擾通道時延小于前饋控制通道時延），則Tdi>Td2；若起滯后補償作用（此時干擾 通道時延大于前饋控制通道時延），則Tdi< Td20三、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5e 5sGf(s)(8s i)系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為2e 3s3e 5sGi(s)百反饋回路傳遞函數(shù)為H(s) 1(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

6、饋回路，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Gi(s)G2(s)控制通道的傳遞函數(shù)為:擾動通道的傳遞函數(shù)Gf（S）G2（S）+1)則所求前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)為:k limGf -2.5s 0 G(s)G2(s)方法二：調(diào)試法求靜態(tài)前饋系數(shù)首先，當不接入靜態(tài)前饋系數(shù) k,輸入x=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時的曲線如下圖5品

7、1610q to ira 150 md jaaaa 4m布osin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)的影響基本消除了，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, 靜態(tài)前饋系數(shù)為Kd= -2.5。其中前饋控制器形式為：Gd(s)系統(tǒng)仿真如圖6:control 1diitufb圖6動態(tài)前饋控制器時間常數(shù)整定ifela 總圖8動態(tài)前饋時間常數(shù)整定過程(3)斷開前饋回路，整定反饋控制器參數(shù)，系統(tǒng)的仿真圖如圖圖7動態(tài)前饋調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Tdi、Td

8、2得到系統(tǒng)響應曲線如圖8,其中有一條無擾動時的曲線，當Tdi=5、 Td2=8時，系統(tǒng)補償較為理想。/0Td1-1 TcG-BF-fl Td2-1Td2T 1(12=21Tdl -20 Td7=1 無力擊mC4nH q ndHSOnfc'Gl 1FID SMNlif9圖9反饋控制器參數(shù)整定圖10,采用臨界比但J度法整定PID,當K=0.461時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩如圖 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)驗公式控制器類控制器參數(shù)型P(Kc)I(T i)/minD(TD)/minP0.5KcPI0.45Kc0.83TkPID0.6Kc0.5Tk0.12Tk圖10當K=0.461時，系統(tǒng)等幅振蕩采用 PI 控制器：Kp=M5 X 0.461 = 0.20745, K=K十(M3 X 35.7) = 0.007 , 經(jīng)過細微調(diào)整后，把 PI參數(shù)設(shè)為&=0.2, K=0.01,系統(tǒng)響應如圖11。圖11 PI控制系統(tǒng)