前饋控制技術(shù)及其應(yīng)用仿真研究

1、前饋控制技術(shù)及其應(yīng)用仿真研究*王迪王秋平*(1.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)12屆畢業(yè)生，吉林，吉林132012；2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林，吉林132012)摘要：本文依據(jù)前饋控制技術(shù)的基本原理，為滿足空調(diào)系統(tǒng)中對(duì)負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整流量的控制要求，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，對(duì)其進(jìn)行前饋仿真設(shè)計(jì)，并與常規(guī)PID控制進(jìn)行比較，同時(shí)分析各類前饋控制的特點(diǎn)。最后得到滿足要求并具有實(shí)際應(yīng)用性的的控制方案，即靜態(tài)前饋控制。關(guān)鍵詞：前饋控制，Simulink，空調(diào)房間引言當(dāng)今日益流行的智能建筑中空調(diào)更是不可缺少的設(shè)備，而眾所周知空調(diào)是能源消耗大戶，在能源利用中擔(dān)任重要角色

2、，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗可以大大提高能源的利用率，其中自控系統(tǒng)的配置是運(yùn)行節(jié)能實(shí)現(xiàn)的重要因素。冷熱負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，中央空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷是不斷變化的，而設(shè)計(jì)者是按最大負(fù)荷選擇系統(tǒng)的，這會(huì)造成能量的浪費(fèi)，利用變流量調(diào)節(jié)可以提高中央空調(diào)系統(tǒng)能量的利用，如何使流量根據(jù)負(fù)荷變化快速響應(yīng)是本文研究的重點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展較快的先進(jìn)的控制技術(shù)是前饋控制。前饋控制通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的負(fù)荷值，計(jì)算出后一段時(shí)間的送風(fēng)、水流量(前饋信號(hào))，結(jié)合當(dāng)前信息完成控制。前饋控制原理對(duì)于存在擾動(dòng)的系統(tǒng)，可以直接按照擾動(dòng)進(jìn)行控制，稱作前饋控制，在理論上，它可以完全消除擾動(dòng)引起的偏差。在加有前饋控制的系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)擾動(dòng)，前饋調(diào)節(jié)器就

3、直接根據(jù)擾動(dòng)的大小和方向，按照前饋調(diào)節(jié)規(guī)律，補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。由于慣性和純滯后，擾動(dòng)作用到系統(tǒng)上，被控量尚未發(fā)生變化，前饋調(diào)節(jié)器就進(jìn)行了補(bǔ)償，如果補(bǔ)償作用恰到好處，可以使被控量不會(huì)因擾動(dòng)作用而產(chǎn)生偏差。前饋控制的設(shè)計(jì)依據(jù)是不變性原理?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控量與擾動(dòng)量完全無(wú)關(guān)，或在一定準(zhǔn)確度下無(wú)關(guān)。然而進(jìn)入控制系統(tǒng)中的擾動(dòng)必然通過(guò)被控對(duì)象的內(nèi)部聯(lián)系，使被控量發(fā)生偏離其給定值的變化。而不變性原理是通過(guò)前饋控制器的校正作用，消除擾動(dòng)對(duì)被控量的這種影響。前饋控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。Y二X-GGG+M(GG+G)G(1-1)123d2f3由式(1-1)可見，不論原系統(tǒng)如何，只要能夠測(cè)得干擾

4、M及干擾通道G(s)就可構(gòu)造出G(s)使下式成立：dGG二一一f(1-2)dG2Gd(s)-可測(cè)干擾M1Gf(s)XG1(s)-_G2(s)LG3Y圖1前饋控制原理圖按結(jié)構(gòu)，前饋控制系統(tǒng)可分為靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)，前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)?？刂茖?duì)象的介紹及仿真本文選擇空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)房間部分作為被控對(duì)象，空調(diào)房間的自動(dòng)控制主要是室溫控制，它是空氣控制系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，要用到設(shè)置在室內(nèi)的測(cè)溫傳感器測(cè)定室內(nèi)空氣溫度信號(hào)，并將此信號(hào)傳遞給溫度調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算放大，發(fā)出控制指令信號(hào)，以控制相應(yīng)的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)，使送風(fēng)溫度或送風(fēng)溫度隨偏差量的大小而發(fā)生變化，以滿足空調(diào)房間溫度

5、控制的要求。根據(jù)相關(guān)資料，在假設(shè)沒(méi)有相關(guān)滯后環(huán)節(jié)后得出空調(diào)房間的溫度傳遞函數(shù)為1.19G(s)=，選擇空調(diào)房間的負(fù)荷變化作為干擾，分別加入靜態(tài)前饋，動(dòng)態(tài)前饋，前(5s+2)s饋-串級(jí)控制控制技術(shù)。在這里前饋并不是單獨(dú)使用的，由于開環(huán)控制很難知道補(bǔ)償?shù)男Ч?，往往加入反饋控制與之相結(jié)合。圖2加入靜態(tài)前饋的模型結(jié)構(gòu)框圖圖4加入前饋-串級(jí)的模型結(jié)構(gòu)框圖圖45仿真結(jié)果圖隨著仿真時(shí)間的加長(zhǎng)，我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)前饋控制優(yōu)于靜態(tài)前饋控制，同時(shí)，對(duì)于此控制對(duì)象而言，前饋-串級(jí)控制與動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)的仿真曲線完全一致且與不受干擾時(shí)的曲線幾乎完全一致。其實(shí)，當(dāng)擾動(dòng)通道和控制通道的時(shí)間常數(shù)接近的時(shí)候，引入前饋控制可以顯著提

6、高控制性能，由于控制效果明顯，通常采用靜態(tài)前饋就能滿足要求了。動(dòng)態(tài)前饋比靜態(tài)前饋復(fù)雜，參數(shù)的整定也比較麻煩。因此，在靜態(tài)前饋能夠滿足工藝要求的時(shí)候，盡量不采用動(dòng)態(tài)前饋。實(shí)際工程中，通常控制通道和擾動(dòng)通道的慣性時(shí)間和純滯后時(shí)間接近，往往采用靜態(tài)前饋就能獲得良好的控制效果。而對(duì)于文中的空調(diào)房間控制對(duì)象，相比航空航天的技術(shù)領(lǐng)域，要求的性能指標(biāo)沒(méi)有必要特別高，所以采用靜態(tài)前饋控制即可。而動(dòng)態(tài)前饋控制前饋-串級(jí)控制只是在理論上由于靜態(tài)前饋控制。究其原因，其實(shí)動(dòng)態(tài)前饋控制的前饋算式輸出的不僅是擾動(dòng)量的函數(shù)，而且是時(shí)間的函數(shù)，所以相比靜態(tài)前饋控制更完善，而前饋-串級(jí)控制更是能因?yàn)樽陨淼膹?fù)雜結(jié)構(gòu)達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)?/p>

7、效果為了進(jìn)一步研究前饋控制與PID控制的優(yōu)劣，本文建立了加入PID控制器的模型，通過(guò)試湊法進(jìn)行了PID控制器的參數(shù)整定。圖5加入PID控制器的模型結(jié)構(gòu)圖圖6PID控制仿真結(jié)果圖經(jīng)觀察得：前饋控制優(yōu)于PID控制，前饋控制的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間比PID控制短，且在動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩次數(shù)少于PID控制，最重要的是我們發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，PID的波動(dòng)還是比較明顯的，而前饋控制幾乎沒(méi)有波動(dòng)。根據(jù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，結(jié)合自動(dòng)控制原理的快速性，準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性的要求。我們可以得出結(jié)論：前饋控制能達(dá)到優(yōu)化控制的目的和傳統(tǒng)的PID控制模式相比具有一定的優(yōu)越性。結(jié)論前饋控制作為產(chǎn)生比較早，但由于設(shè)備技術(shù)的限制而發(fā)展比較

8、緩慢的控制技術(shù)，在近幾年，隨著科學(xué)的技術(shù)的進(jìn)步，人們?cè)瓉?lái)越重視它的發(fā)展，同時(shí)因?yàn)槠淠芗皶r(shí)補(bǔ)償因干擾引起的的變化的優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的實(shí)際應(yīng)用中，前饋控制技術(shù)的作用都得到了充分的發(fā)揮。這在很大程度上，提高了我國(guó)自動(dòng)化應(yīng)用程度。本文研究了前饋控制技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)，深入分析了前饋控制的幾種重要分類。從前饋控制技術(shù)的基本原理出發(fā)，針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中對(duì)負(fù)荷變化及時(shí)調(diào)整流量的控制要求，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，根據(jù)給定的空調(diào)房間負(fù)荷傳遞函數(shù)及器件參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行前饋仿真設(shè)計(jì)，并與常規(guī)PID控制進(jìn)行比較，同時(shí)分析各類前饋控制的特點(diǎn)。通過(guò)仿真計(jì)算得出結(jié)論有以下幾點(diǎn)：在以空調(diào)系統(tǒng)為控制對(duì)象中，前饋

9、控制技術(shù)對(duì)干擾的改善性能優(yōu)于常規(guī)PID控制的調(diào)節(jié)。在該控制對(duì)象中，動(dòng)態(tài)前饋與前饋-串級(jí)的控制性能幾乎完全一致，然而，通過(guò)分析，前饋-串級(jí)控制技術(shù)優(yōu)于前者。在該實(shí)際用當(dāng)中，由于條件的限制，同時(shí)針對(duì)應(yīng)用過(guò)程中沒(méi)有必要特別“精細(xì)”的特點(diǎn)，因?yàn)閯?dòng)態(tài)前饋及前饋-串級(jí)的技術(shù)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)前饋，所以最終采用靜態(tài)前饋控制。FeedforwardcontroltechnologyanditsapplicationsimulationresearchWangdi,wangqiuping(1.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin

10、,China,132012；2.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin,China,132012)Abstract:ThisarticlestartsfromthebasicprinciplesofFeedforwardcontroltechnology,aimesattheairconditioningsystemduetochangesintheloadneedstimelyadjustmentofflowcontrolinairconditioningroom.UsingMatlab/Simulinksimulationplatform,accordingtothegivenair-conditionedroomtransferfunctionanddeviceparameters,designsthefeedforwardcontrolsimulation,andcompareswiththeconventionalPIDcontrol,andanalysi