MATLAB的前馈—反馈复合控制系统

前馈—反馈复合控制系统

第一节 前馈控制系统的组成

在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。

从以上分析我们可以得出如下结论：若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做前馈控制或扰动补偿。

前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明，图中虚线部分表示反馈控制系统。

换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度一定。当被加热水流量发生变化时，若蒸汽两不发生变化，而要使出口温度保持不变，就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。

图中虚线所示是反馈控制的方法，这种方法没有前馈控制及时。

图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。

图中，：测量变送器的变送系数；

(s)：干扰通道对象传递函数；

(s)：控制通道对象传递函数；

(s)：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。

第二节 前馈控制系统的特点

理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统能够完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器(前馈调节器)的控制作用，显然(s)取决于对象控制通道和干扰通道的特性。

由图2可得：

(s) = [(s) + (s) (s)](s) (1)

令= 0 则有： = (s) + (s) (s) (2)

式中：是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿”，此时： = (s) + (s) (s) = 0

所以，前馈控制器的控制规律为： (3)

上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。

如果(s) 和 (s) 可以很准确测出，且(s) 完全和上式确定的特性一致，则不论干扰信号是怎样的形式，前馈控制都能起到完全控制的作用，使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏差均是零。

第三节 复合控制系统特性分析

正如前面所指出的那样，前馈控制能依据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有前言的手段。因而，当前前馈作用并没有最后消除偏差时，系统无法得知这一信息而作进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，增加了投资费用和维护工作量。此外当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。再者，前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性受负荷和工况等因素的影响而产生偏移，必然导致(s)和(s)的变化，因此一个事先固定的前馈模型不可能获得良好的控制质量。

工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引起被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服。以这种形式组成的系统称为前馈—反馈复合控制系统。前馈—反馈复合控制系统即能发挥前馈调节控制及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，因此得到了广泛的应用。

复合控制系统具有以下几个特点。

引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。

图(3)为前馈—反馈复合控制系统的原理方框图。

由图可得，没有加入反馈作用时完全补偿的条件为：

(4)

加上反馈后有：

(5)

式(5)中，，应用不变性原理有：

即：