前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)滯后校正設(shè)計(jì)

1、學(xué)號：課程設(shè)計(jì)題 目學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)滯后校正設(shè)計(jì)*2015年 1 月 16 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：*專業(yè)班級： *指導(dǎo)教師： 二 工作單位：武漢理工大學(xué) 題目：前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)滯后校正設(shè)計(jì)初始條件：已知一前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)如圖所示，系統(tǒng)控制通道特性、擾動通道特性傳遞函數(shù)分別為15Go(s)20，Gf(s)s(s 2)(2s 3)s 2要求完成的主要任務(wù)：(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求)(1) 試對系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正，是系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度45。(2) 設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)，是系統(tǒng)能克服擾動對系統(tǒng)的影響。（3）對上述任務(wù)寫出

2、完整的課程設(shè)計(jì)說明書，說明書中必須進(jìn)行原理分析，寫清楚分析計(jì)算的過程及其比較分析的結(jié)果，并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型，說明書的格式按照教務(wù)處標(biāo)準(zhǔn)書寫。時(shí)間安排:任務(wù)時(shí)間（天）指導(dǎo)老師下達(dá)任務(wù)書，審題、查閱相關(guān)資料2分析、計(jì)算2編寫程序1撰寫報(bào)告2論文答辯1指導(dǎo)教師簽名：年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名:目錄摘要在本次課程設(shè)計(jì)中，需要我們設(shè)計(jì)前饋 - 反饋控制系統(tǒng)。前饋反饋復(fù)合 控制系統(tǒng)中存在兩種不同的控制方式， 即前饋、 反饋。前饋控制系統(tǒng)的作用是對 主要的干擾信號進(jìn)行補(bǔ)償， 可以針對主要干擾信號， 設(shè)置相應(yīng)的前饋控制器； 引 入反饋控制， 是為了是系統(tǒng)能夠克服所有的干

3、擾信號對被調(diào)量產(chǎn)生的影響， 除了 已知的干擾信號以外， 系統(tǒng)中還存在其他的干擾信號， 這些擾動信號對系統(tǒng)的影 響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們肯本就考慮不到或是無法測量， 都通過反饋控制來克服。在本次設(shè)計(jì)中，我們采用滯后校正方式。關(guān)鍵詞：前饋 反饋 復(fù)合 滯后校正1. 設(shè)計(jì)目的及要求1.1 設(shè)計(jì)目的通過本次課程設(shè)計(jì)， 幫助學(xué)生掌握前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和反饋控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)，理解和掌握復(fù)合校正的概念。 同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中實(shí)時(shí)的觀察到各階段的波 形，有利于學(xué)生更直觀的掌握控制系統(tǒng)的各種特性。451.2 設(shè)計(jì)要求(1) 試對系統(tǒng)進(jìn)行滯后校正，是系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度(2) 設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)，是系

4、統(tǒng)能克服擾動對系統(tǒng)的影響2. 原理分析2.1前饋系統(tǒng)2.1.1前饋控制的定義前饋控制（英文名稱為Feedforward?Control ）,是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值， 變化趨勢，對操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響，使被控變量保 持不變的方法。圖中虛線所示是反饋控制的方法，這種方法沒有前饋控制及時(shí)。？圖1前饋控制系統(tǒng)的原理框圖于圖2所示。？?圖2.1前饋控制系統(tǒng)的一般框圖圖中，Kb :測量變送器的變送系數(shù)；？?？Wdz S :干擾通道對象傳遞函數(shù)；？?Wd S :控制通道對象傳遞函數(shù)；？?Wb S :前饋控制裝置或前

5、饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)理想的情況下，針對某種擾動的前饋控制系統(tǒng)能夠完全補(bǔ)償因擾動而引起的對被調(diào)量的影響。實(shí)現(xiàn)對干擾完全補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是確定前饋控制器（前饋調(diào)節(jié)器） 的控制作用，顯然WB s取決于對象控制通道和干擾通道的特性。由圖2可得：？?Y SWdz SKbWb S Wd S Zs?(1)?令Kb 0?則有:Wdz SWb S Wd S(2)?式中：Wdz S是干擾引起的輸出。在理想的情況下，經(jīng)過前饋控制以后，被調(diào)量不變，即實(shí)現(xiàn)了所謂“完全補(bǔ)償”，此時(shí)：？所以，前饋控制器的控制規(guī)律為:WB SWdz SWD S(3) ?上式說明前饋控制的控制規(guī)律完全是由對象特性決定的，它是干擾通道和控制通道傳遞函數(shù)

6、之商，式中負(fù)號表示控制作用的方向與干擾作用相反。？如果WDZ S ?和?WD S可以很準(zhǔn)確測出，且 WB S ?完全和上式確定的特性一 致，則不論干擾信號是怎樣的形式，前饋控制都能起到完全控制的作用， 使被調(diào) 量因干擾而引起的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)偏差均是零。？2.1.2前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)？1. 前饋控制的特點(diǎn)？前饋控制的特點(diǎn)有：前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)；按干擾進(jìn)行控制，控制 及時(shí)，精度高；僅僅對前饋量有控制作用；前饋控制器為多用控制器；不能隨時(shí) 了解被控變量變化情況。？2. 前饋控制的局限性前饋控制只能抑制可測干擾對被控參數(shù)的影響。.其次,由于實(shí)際工業(yè)對象存 在著多個(gè)干擾，為了補(bǔ)償它們對被控變量的影響

7、，勢必要設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道，這就 增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。此外前饋控制器的數(shù)學(xué)模型是由過程動態(tài)WDZ S和WD S決定的，而WDZ S和WD S的精度模型是很難得到的，也受多種 因素的限制，對象特性要受負(fù)荷和工況等因素的影響而產(chǎn)生漂移， 必將導(dǎo)致干擾 通道和控制通道的變化，因此一個(gè)固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。2.2反饋控制2.2.1. 定義反饋控制（英文名稱為Feedback?Control），是指從被控對象獲取信息，按照 偏差的極性而向相反的方向改變控制量，再把調(diào)節(jié)被控量的作用饋送給控制對 象，這種控制方法稱為反饋控制，也稱作按偏差控制。反饋控制總是通過閉環(huán)來 實(shí)現(xiàn)的。？2.2.

8、2. 反饋控制的特點(diǎn)？反饋控制的特點(diǎn)有：按偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)量小，失調(diào)量?。荒茈S時(shí)了解被控變量變化情況；輸出影響輸入（閉環(huán)） 。?反饋控制必須有偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)， 調(diào)節(jié)作用落后于干擾作用；調(diào)節(jié)不及時(shí)，被控變量總是變化的。2.3. 復(fù)合控制系統(tǒng)特性 ?正如前面所指出的那樣， 前饋控制能依據(jù)干擾值的大小在被調(diào)參數(shù)偏離給 定值之前進(jìn)行控制， 使被調(diào)量始終保持在給定值上。 這樣一個(gè)看起來相當(dāng)完美的 控制方式也有其局限性。 首先表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調(diào)量的反饋， 即對 于補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果沒有前言的手段。 因而，當(dāng)前前饋?zhàn)饔貌]有最后消除偏差時(shí)， 系 統(tǒng)無法得知這一信息而作進(jìn)一步的校正。 其次，由于實(shí)際工

9、業(yè)對象存在著多個(gè)干 擾，為了補(bǔ)償它們對被調(diào)量的影響， 勢必設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道， 增加了投資費(fèi)用和 維護(hù)工作量。 此外當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)小于控制通道的時(shí)間常數(shù)時(shí)， 不能實(shí)現(xiàn) 完全補(bǔ)償。 再者，前饋控制模型的精度也受到多種因素的限制， 對象特性受負(fù)荷 和工況等因素的影響而產(chǎn)生偏移， 必然導(dǎo)致 WD S 和 WDZ S 的變化，因此一個(gè)事 先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質(zhì)量。 ?鑒于以上原因，前饋控制往往不能單獨(dú)使用。為了獲得滿意的控制效果， 通常是將前饋控制與反饋控制相結(jié)合，組成前饋 - 反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。該復(fù)合系 統(tǒng)一方面利用前饋控制及時(shí)有效地減少干擾對被控參數(shù)的動態(tài)影響； 另一方面則 利

10、用反饋控制使被控參數(shù)穩(wěn)定在設(shè)定值上，從而保證系統(tǒng)有較高的控制質(zhì)量。 2.3.1. 前饋- 反饋復(fù)合控制原理 ?前饋控制又稱擾動補(bǔ)償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(diào)參 數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負(fù)載干擾量的變 化，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)并能被測出時(shí)， 調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的 變化，使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏差之前抵消。 因此， 前饋調(diào)節(jié)對干擾的客服比反饋 調(diào)節(jié)及時(shí)。 但是前饋控制是開環(huán)控制， 其控制效果需要通過反饋加以檢驗(yàn)。 前饋 控制器在測出擾動之后，按過程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計(jì)算出校正值。2.3.2. 復(fù)合控制系統(tǒng)特點(diǎn) ?（1）引入反饋控制后，前饋

11、控制中的完全補(bǔ)償條件不變。 ?圖 3 為前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的原理方框圖。圖 2.3 換熱器前饋 - 反饋控制系統(tǒng)框圖由圖可得，沒有加入反饋?zhàn)饔脮r(shí)完全補(bǔ)償?shù)臈l件為：？WB SWdz SWD S?(4) ?加上反饋后有：？?Wt SWd S1 Wt SWd S?x sWB S Wd SWdz S1 Wt SWd S?z s(5) ?式（5）中 X S 0，Z S 0，應(yīng)用不變性原理有：？?？?？?？?？?？? 即：？wdz sWB Sdz ?（ 6）?BWd S 式（4）與式（6）完全一樣。？而如果不加前饋?zhàn)饔?，即若WB S 0，顯然，?由于WDZ s 0，因此擾動對系統(tǒng)輸出是有影響的。？?（2

12、）復(fù)合控制系統(tǒng)補(bǔ)償控制的規(guī)律不僅與對象控制通道和干擾通道的傳遞函數(shù)有關(guān)，還與反饋調(diào)節(jié)器的位置有關(guān)。？若復(fù)合控制系統(tǒng)的組成如圖（4）所示，反饋調(diào)節(jié)器與圖（3）相比，不是放在前饋信號前面，而是放在后面，則有：？Wt SWd S1 Wt S Wd S?X SWB SWt SWd S1 Wt SWd SWd-S?Z s?圖2.4反饋調(diào)節(jié)器放在前饋信號前面可得完全補(bǔ)償條件:(7) ?WB SWD-S-WT S WD S顯然與式(4)不同。(3) ?復(fù)合控制時(shí)，擾動對輸出的影響要比純前饋時(shí)小得多。為方便比較，設(shè)系統(tǒng)為定值控制，即X S 0?，專門討論擾動Z(s)對系統(tǒng)的影響。？?因?yàn)榍梆伩刂撇豢赡芡耆a(bǔ)償

13、，即丫(s)的第二項(xiàng)不可能完全為零，令其為 S，那么，純前饋控制時(shí):?丫 SWDZ S WB SWD S ?ZS S ?Z S ?(8) ?加入反饋后，貝?Y. S?Z S ?1 Wt SWD S '(9) ?因?yàn)?1 Wt SWd S 1，因此？丫 SYi S(10) ?對于其他未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)臄_動作用也有類似的結(jié)果。(4) ?前饋補(bǔ)償對于系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響。這一點(diǎn)是顯而易見的，因?yàn)榍梆仧o論加在什么位置，它都不構(gòu)成回路，系統(tǒng)的輸入一輸出傳遞函數(shù)的分母均保持不變，因而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3. 整定計(jì)算3.1前饋控制系統(tǒng)整定計(jì)算由于系統(tǒng)控制通道特性、擾動通道特性傳遞函數(shù)分別為Go(S)20

14、s(s 2)(2s 3)，尙三由原理分析中整定計(jì)算方法可得，全補(bǔ)償條件為GG)=緡=s(2s + 3)由于其為二階微分環(huán)節(jié)，全補(bǔ)償條件無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，若選擇當(dāng)時(shí)，可在主要頻段進(jìn)行全補(bǔ)償。這里我們選擇 八=O-OOOOOLTi = 0.000001 即s(2s + 3)0.00000U2 十 0.000001S 十 43.2反饋控制系統(tǒng)的整定計(jì)算根據(jù)原理分析中反饋環(huán)節(jié)的整定計(jì)算方法，可利用MATLA計(jì)算滯后校正裝置的傳遞函數(shù)。MATLA程序如下：num=0 20;den=co nv(1 0, con v(1 2,2 3);G=tf(n um, den);kg, r, wc, wg = margin

15、(G)margi n(G)phy=-180+45+10;m, p, w=bode(G);wcl=spli ne(p, w, phy);ml= spli ne(p, m, phy);b=1/mlT=10/(b*wcl)MATLA計(jì)算結(jié)果為：b=0.1789 T=103.2007,即滯后校正裝置的傳遞函數(shù)為 嚴(yán) z 、18.4668s + 1%)= 1032007s + 14. MATLAB仿真4.1初始系統(tǒng)仿真圖此時(shí)，由圖可知，由于擾動信號的存在，輸出存在明顯誤差圖4.1初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.2初始系統(tǒng)仿真圖4.2加入前饋控制系統(tǒng)后系統(tǒng)仿真圖由圖可知，加入前饋控制系統(tǒng)后，擾動信號帶來的誤差得到明

16、顯改善圖4.3加入前饋控制系統(tǒng)后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.4加入前饋控制系統(tǒng)后系統(tǒng)仿真圖4.3加入滯后校正裝置后系統(tǒng)仿真圖此時(shí)，由MATLA可得相角裕度丫 =50.2008 > 45,滿足要求mStep圖4.5加入滯后校正裝置后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.6加入滯后校正裝置后系統(tǒng)仿真圖5. 總結(jié)通過完成這次的課程論文，讓我對該科目有了更深的了解，也完善了平時(shí)在 這方面知識的匱乏。在搜集資料的過程中，也讓我學(xué)習(xí)到很多他人的精辟的學(xué)習(xí) 方法。例如：對于前饋-反饋控制系統(tǒng)而言，要想了解該復(fù)合系統(tǒng)的控制優(yōu)勢， 必須先分別了解前饋控制和反饋控制的控制特點(diǎn)，以及它們分別的適用范圍，然后再將它們的控制結(jié)果向?qū)Ρ?，同時(shí)，

17、用一個(gè)具體的實(shí)例來說明，更能夠?qū)⑦@種 抽象理論的知識點(diǎn)具體化，也更方便閱讀者理解。最后還要考慮實(shí)際情況與理論 假設(shè)情況的區(qū)別，現(xiàn)實(shí)生活中的控制系統(tǒng)都是比較復(fù)雜的， 而我們在理論分析是 總是會把它簡單化以便于分析，但在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)考慮實(shí)際情況的諸多因素。在本次論文中，通過對前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的分析，是我了解到前饋控 制對系統(tǒng)的抗干擾能力比較強(qiáng)，而且也不影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，但也存在其局限 性，因而和反饋控制一起使用更有利于系統(tǒng)的抗干擾能力及穩(wěn)定性。6. 參考文獻(xiàn)1 劉衛(wèi)國 Matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版）M.北京：高等教育出版社，20062 同濟(jì)大學(xué).高等數(shù)學(xué) 上冊（第六版）M.北京：高等教育出版社，2007年4 月.3 李尚志等.數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)（第二版）高等教育出版社。2008年2月4 周曉陽