下载文档原格式
前馈控制系统一．前馈控制原理前面讨论的所有控制系统，都属于反馈控制系统，无论其系统结构如何，它们的调节回路的基本工作原理都是一样的。
下面要介绍的前馈控制系统则有着截然不同的控制思想。
前馈控制思想及应用由来已久，但主要是由于技术条件的限制，发展较慢。
随着计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控制正受到更多的重视和应用。
在反馈控制系统中，都是把被控变量测量出来，并与给定值相比较；而在前馈控制系统中，不测量被控变量，而是测量干扰变量，也不与被控变量的给定值进行比较。
这是前馈与反馈的主要区别。
为了系统地说明前馈控制思想，同时也为了在比较中进一步加深对反馈控制思想的理解，画出图8-31进行比较分析。
（a）反馈控制（b）前馈控制图8－31 两种加热炉温度控制系统图8-31中的（a）是反馈控制，（b）是前馈控制。
在前馈控制中，测量需要被加热的原油的流量，流量偏大就增加燃料量，原油流量偏小就减少燃料量，以达到稳定原油出口温度的目的。
从动态过程分析，当原油流量增大时，一段时间后，出口温度会下降。
但前馈测量出原油流量的增加量，迅速增加燃料量。
如果燃料增加的量和时机都很好，有可能在炉膛中将干扰克服，几乎不影响原油出口温度。
如果该加热炉只存在原油流量这一个干扰，那么理论上讲，前馈控制可以把原油出口温度控制得很精确，甚至被控变量一点也不波动。
这就是前馈控制思想，也是前馈控制的生命力所在。
二．前馈控制与反馈控制的比较通常认为，前馈控制有如下几个特点：（l）是“开环”控制系统；（2）对所测干扰反应快，控制及时；（3）采用专用调节器；（4）只能克服系统中所能测量的干扰。
下面从几个方面比较前馈控制与反馈控制。
画出图8-31两个控制系统的方块图如图8-32所示。
（a）反馈控制（b）前馈控制图8-32 两种加热炉温度控制系统方块图l．前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统从图8-32可以看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发点形成闭合环路，成为“闭环”控制系统。
前馈控制系统的基本原理前馈控制系统是一种控制系统，其中输入信号经过预先设计的控制器处理后，直接作用于被控对象，以实现对被控对象的控制。
该系统的基本原理是根据被控对象的数学模型和被控目标，设计适当的控制器，并通过对输入信号进行预先处理，以提前预测被控对象的响应，并消除或最小化干扰对被控对象的影响，从而实现精确控制。
前馈控制系统通常由以下几个主要组成部分构成：被控对象、传感器、控制器和执行器。
被控对象是指需要被控制的系统或设备，如机械臂、电机、飞机等。
传感器负责将被控对象的状态信息转换为电信号，以便输入到控制器中进行处理。
控制器根据输入信号和预先设计的控制算法，生成适当的输出信号，并将其发送到执行器。
执行器根据控制器的输出信号，对被控对象进行调节，从而实现控制目标。
前馈控制系统的基本原理是根据被控对象的数学模型和被控目标，设计适当的控制器，并通过对输入信号进行预先处理来实现精确控制。
在设计控制器时，需要考虑被控对象的动态响应特性、控制目标以及系统的稳定性、鲁棒性和性能要求等因素。
预处理器是前馈控制系统的重要组成部分，其作用是对输入信号进行预先处理，以消除或最小化干扰对被控对象的影响。
预处理器可以采用各种方法，如滤波、调幅、增益调整等，以实现对输入信号的改变。
在前馈控制系统中，控制器的设计是关键。
根据被控对象的数学模型和理想控制目标，可以选择合适的控制算法，如比例积分控制（PI控制）、比例微分控制（PD控制）、模糊控制、神经网络控制等。
控制器的设计要考虑稳定性、鲁棒性、性能要求等因素，以实现对被控对象的精确控制。
前馈控制系统的优点是能够减小被控对象对干扰的响应，提高系统的跟踪性能和鲁棒性。
通过预先预测被控对象的响应，并对控制器的输入信号进行合适的处理，可以消除或最小化干扰对被控对象的影响，从而实现更精确的控制。
前馈控制系统的特点及应用场合前馈控制系统是指根据所需的输出信号先行进行信号的预测，并根据预测的结果来提前采取控制措施，以达到控制系统理想输出的控制方法。
下面将详细介绍前馈控制系统的特点以及应用场合。
首先，前馈控制系统的特点如下：1. 较强的鲁棒性：前馈控制系统能够通过提前预测输出变量的影响因素来预测出未来的输出值，并在未来发生变化之前将控制信号及时输入到控制器中，从而提高系统对干扰和噪声的抑制能力，增强系统的鲁棒性。
2. 高速响应：由于前馈控制系统提前预测输出信号的变化，并采取相应的控制措施，因此系统对于变化的响应速度较快，能够在输出值发生偏差前及时修正，提高控制系统的响应速度。
3. 准确性高：前馈控制系统通过预测输出信号的影响因素，并在输出变化前采取控制措施，因此能够在输入信号发生变化时及时进行修正，从而提高系统的准确性。
4. 适用于系统模型已知的情况：前馈控制系统需要事先知道系统的模型，并能够建立系统的数学模型，从而对输出信号的变化进行预测，并采取相应的控制措施。
因此，前馈控制系统适用于系统模型已知的情况，对于未知模型或参数变化较大的系统效果较差。
接下来，我们将介绍前馈控制系统的应用场合：1. 机械控制系统：前馈控制系统在机械控制系统中的应用十分广泛。
例如，工业机器人的运动控制中，通过预测机器人的位置和姿态，提前采取控制措施，可以提高机器人的定位和跟踪精度，从而提高生产效率。
2. 过程控制系统：在化工、冶金等过程控制系统中，前馈控制系统也得到了广泛的应用。
例如，在温度控制系统中，通过提前预测温度变化趋势，及时调整加热功率，可以有效地控制温度的稳定性，提高产品质量。
3. 电力系统：电力系统中也存在着很多需要控制的环节。
例如，在电力传输与分配中，通过预测负荷变化，提前调整发电机组的输出，可以避免发生电压波动和电网失衡，保证电力系统的稳定运行。
4. 航空航天系统：在航空航天系统中，前馈控制系统也有着广泛的应用。
实验名称：前馈控制系统
班级：
姓名：
学号：
实验四前馈控制系统
一、实验目的
（1）通过本实验，了解前馈控制系统的基本结构及工作原理。
（2）掌握前馈控制系统的设计思想和控制器的参数整定方法。
二、实验原理
干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的。
前馈控制的原理是给系统附加一个前馈通道（或称前馈控制器），使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。
利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。
前馈控制系统主要特点如下：
1) 属于开环控制
只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。
但若系统中有一个环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。
另外，系统的控制精度取决于构成控制系统的每一部分的精度，所以对系统各环节精度要求较高。
2) 很强的补偿局限性
前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰的影响。
因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。
而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。
因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。
3) 前馈控制反应迅速
在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。
当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。
这非常有利于大迟滞系统的控制。
4) 只能用于可测的干扰
对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。
按结构，前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。
一个典型的前馈-反馈复合控制系统如图1所示。
前馈-反馈复合控制和前馈-串级复合控制系统的工程整定方法主要有两种：
1) 前馈控制和反馈或串级分别整定，确定各自参数，然后组合在一起；
2) 首先整定反馈控制系统或串级控制系统，然后再在反馈或串级的基础上引入前馈控制系统，并对前馈控制系统进行整定。
其中前馈控制的整定分成静态前馈系数整定、时间常数整定两步。
图1 前馈-反馈复合控制系统框图
单纯静态前馈系数整定有三种方法：
1) 当系统无前馈时，设系统在输入x 0(此时对应控制量为u 0)，扰动m 0作用下，系统输出为y 0；改变扰动为m 1后，改变输入为x 1(此时对应控制量为u 1)，维持系统输出为y 0不变。
则所求前馈控制器的静态放大系数为：
10
10
u u k m m -=
-
2) 当系统无前馈时，设系统在输入x 0，扰动m 0作用下，系统输出为y 0；然后接入前馈回路，调节前馈控制器的静态系数k 使系统的输出回复为y 0，此时的k 值为所求的前馈控制器的静态系数。
3) 利用系统辨识方法，分别得到控制通道的传递函数 和扰动通道的传递函数 ，则所求前馈控制器的静态系数为：
20
12()()lim
()()
f s G s G s k G s G s →=-
时间常数整定的方法。
前馈控制器通常具有以下形式：
121
()1
d d d
d T s G s K T s +=+
其中K d 为静态前馈系数。
该形式的前馈调节器实际上是超前滞后补偿器，若起超前补偿作用(此时干扰通道时延小于前馈控制通道时延)，则T d1> T d2；若起滞后补偿作用(此时干扰通道时延大于前馈控制通道时延)，则T d1< T d2。
三、实验过程与数据
假设系统干扰通道传递函数为
55()(81)
s
f e G s s -=+
系统被控部分传递函数为
351223(),()51101
s s
e e G s G s s s --==++
反馈回路传递函数为
()1H s =
（1）该控制系统的Simulink 仿真图如图2
12()(
)G s G s 2()()f G s G s
图2 控制系统仿真图
(2) 断开反馈回路，求静态前馈系数和动态时间常数，仿真框图如图3。
图3 求静态前馈系数仿真图
○
1求静态前馈系数可用两种方法求解： 方法一：通过系统辨识法
控制通道的传递函数为： =错误！未找到引用源。
扰动通道的传递函数 = 错误！未找到引用源。
则所求前馈控制器的静态系数为：
20
12()()lim
()()
f s G s G s k G s G s →=-= -2.5
方法二：调试法求静态前馈系数
12()()G s G s 2()()
f G s G s
首先，当不接入静态前馈系数k ，输入x(t)=5，扰动m=0时，系统输出如图
4
图4 不接入静态前馈系数k ，输入x(t)=5，扰动m=0时，系统输出图
当输入x(t)=5，扰动m 为单位阶跃信号，静态前馈系数k 分别取值-0.1，-1，-2.5，-3.5，-4.5时的曲线如下图
5
图5 调试法求静态前馈系数
由上图可看出，k= -2.5时，系统输出与无干扰时输出是一致的，说明此时前馈将干扰对系统的影响基本消除了，所以k= -2.5 即为所求。
○
2动态前馈控制器时间常数整定 输入设为x(t)=1,扰动m 为单位阶跃信号。
接入如图7的动态前馈调节器，静态前馈系数为K d = -2.5。
其中前馈控制器形式为：
121()1d d d
d T s G s K T s +=+
系统仿真如图6：
图6 动态前馈控制器时间常数整定
图7 动态前馈调节器
调节T
d1、T
d2
得到系统响应曲线如图8，其中有一条无扰动时的曲线，当T
d1
=5、
T
d2
=8时，系统补偿较为理想。
图8动态前馈时间常数整定过程
（3）断开前馈回路，整定反馈控制器参数，系统的仿真图如图
9
图9 反馈控制器参数整定图
采用临界比例度法整定PID ，当K C =0.461时，系统出现等幅振荡如图10，临界周期T k =35.7，所以由表1-1可计算出PI 参数：
表1-1 临界比例度整定控制器参数经验公式
图10 当K C =0.461时，系统等幅振荡
采用PI 控制器：K P =错误！未找到引用源。
，K I =K P 错误！未找到引用源。
,经过细微调整后，把PI 参数设为K P =0.2，K I =0.01,系统响应如图11。
图11 PI 控制系统响应图
（4）利用各整定参数构建前馈-反馈复合控制，并给出系统Simulink 仿真结果曲线图。
其中给定值为5，干扰源为2叠加幅值为±1的随机干扰信号；1()G s 和
2()G s 之间加入一个幅值为±0.5的随机干扰信号，系统响应如图12。
图12 前馈-反馈复合控制系统响应图。
