過控課設(shè)蒸發(fā)器前饋-反饋控制

1、 目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc9227 第一章 前饋-反饋控制與設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc9227 1 HYPERLINK l _Toc6416 1.1 前饋控制 PAGEREF _Toc6416 1 HYPERLINK l _Toc17732 1.2 反饋控制 PAGEREF _Toc17732 1 HYPERLINK l _Toc1295 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc1295 1 HYPERLINK l _Toc1520 1.4 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc1520 1 HYPERLINK l _Toc23093 1.5 設(shè)計(jì)

2、報(bào)告 PAGEREF _Toc23093 1 HYPERLINK l _Toc20888 第二章 前饋-反饋系統(tǒng) PAGEREF _Toc20888 2 HYPERLINK l _Toc25605 2.1 前饋控制系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc25605 2 HYPERLINK l _Toc880 2.2 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) PAGEREF _Toc880 2 HYPERLINK l _Toc8142 2.3 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)特性分析 PAGEREF _Toc8142 3 HYPERLINK l _Toc7875 第三章 前饋-反饋仿真分析 PAGEREF _Toc7875 6 H

3、YPERLINK l _Toc6631 3.1 系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc6631 6 HYPERLINK l _Toc9187 3.2 靜態(tài)系統(tǒng)仿真圖 PAGEREF _Toc9187 6 HYPERLINK l _Toc10594 3.2 動態(tài)系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc10594 7 HYPERLINK l _Toc11644 3.3 系統(tǒng)跟蹤性能與抗干擾性能 PAGEREF _Toc11644 9 HYPERLINK l _Toc9883 第四章 總結(jié) PAGEREF _Toc9883 11 HYPERLINK l _Toc8557 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc85

4、57 12第一章 前饋-反饋控制與設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 前饋控制 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，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。1.2 反饋控制 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。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)

5、量小，失調(diào)量??；能隨時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，被控變量總是變化的。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù) 蒸發(fā)器的控制通道傳遞函數(shù)為，擾動通道的傳遞函數(shù)為，試設(shè)計(jì)前饋-反饋控制系統(tǒng)，具體要求如下：1.4 設(shè)計(jì)要求 1) 采用matlab仿真分析不同形式前饋控制器對系統(tǒng)性能的影響； 2） 采用matlab仿真分析不同形式前饋-反饋控制器對系統(tǒng)性能的影響；3) 選擇一種較為理想的控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出相應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)原理圖；4） 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，給出系統(tǒng)的跟蹤性能和抗干擾性能。1.5 設(shè)計(jì)報(bào)告 課程設(shè)計(jì)報(bào)告要做到層次清晰，論述清楚，圖表

6、正確，書寫工整；詳見“課程設(shè)計(jì)報(bào)告寫作要求”。第二章 前饋-反饋系統(tǒng)2.1 前饋控制系統(tǒng)的組成在熱工控制系統(tǒng)中，由于被控對象通常存在一定的純滯后和容積滯后，因而從干擾產(chǎn)生到被調(diào)量發(fā)生變化需要一定的時間。從偏差產(chǎn)生到調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用以及操縱量改變到被控量發(fā)生變化又要經(jīng)過一定的時間，可見，這種反饋控制方案的本身決定了無法將干擾對被控量的影響克服在被控量偏離設(shè)定植之前，從而限制了這類控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的進(jìn)一步提高。考慮到偏差產(chǎn)生的直接原因是干擾作用的結(jié)果，如果直接按擾動而不是按偏差進(jìn)行控制，也就是說，當(dāng)干擾一出現(xiàn)調(diào)節(jié)器就直接根據(jù)檢測到的干擾大小和方法按一定規(guī)律去控制。由于干擾發(fā)生后被控量還未顯示出變

7、化之前，調(diào)節(jié)器就產(chǎn)生了控制作用，這在理論上就可以把偏差徹底消除。按照這種理論構(gòu)成的控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，顯然，前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制系統(tǒng)及時的多。從以上分析我們可以得出如下結(jié)論：若系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器能根據(jù)干擾作用的大小和方向就對被調(diào)介質(zhì)進(jìn)行控制來補(bǔ)償干擾對被調(diào)量的影響，則這種控制就叫做前饋控制或擾動補(bǔ)償前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。圖2.1 前饋控制系統(tǒng)的原理框圖：干擾通道對象傳遞函數(shù)；： 控制通道對象傳遞函數(shù)；：前饋控制裝置或前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。2.2 前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 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)

8、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(s)取決于對象控制通道和干擾通道的特性。 由圖2.1可得: （2-1）則有： =+ （2-2）式中： 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： =+=0 所以，前饋控制器的控制規(guī)律為： （2-3）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)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 和 可以很準(zhǔn)確測出，且 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.

9、3 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)特性分析 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，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)際工業(yè)對象存在著多個干擾，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)干擾通道的時間常數(shù)小于控制通道的時間常數(shù)時，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

10、素的影響而產(chǎn)生偏移，必然導(dǎo)致和的變化，因此一個事先固定的前饋模型不可能獲得良好的控制質(zhì)量。工程實(shí)際中，為克服前饋控制的局限性從而提高控制質(zhì)量，對一兩個主要擾動采取前饋補(bǔ)償，而對其它引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾采用反饋控制來克服。以這種形式組成的系統(tǒng)稱為前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)即能發(fā)揮前饋調(diào)節(jié)控制及時的優(yōu)點(diǎn)，又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下幾個特點(diǎn)：引入反饋控制后，前饋控制中的完全補(bǔ)償條件不變。 圖2.2 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的原理方框圖由圖2.1和圖2.2可得，沒有加入反饋?zhàn)饔脮r完全補(bǔ)償?shù)臈l件為： （2-4）加上反饋后有

11、： （2-5）式（5）中，應(yīng)用不變性原理有： 即： （2-6）式（4）與式（6）完全一樣。 而如果不加前饋?zhàn)饔?，即若，顯然: (2-7)由于，因此擾動對系統(tǒng)輸出是有影響的。 （2） 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2.3所示，反饋調(diào)節(jié)器與圖2.3相比，不是放在前饋信號前面，而是放在后面，則有： (2-8)圖2.3 復(fù)合控制系統(tǒng)可得完全補(bǔ)償條件： （2-9） 顯然與式（4）不同。（3） 復(fù)合控制時，擾動對輸出的影響要比純前饋時小得多。 為放便比較，設(shè)系統(tǒng)為定值控制，即 ，專門討論擾動對系統(tǒng)的影響。因?yàn)榍梆伩刂?/p>

12、不可能完全補(bǔ)償，即Y(s)的第二項(xiàng)不可能完全為零，令其為，那么，純前饋控制時： （2-10）加入反饋后，則： （2-11）因?yàn)?，因? （2-12）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。第三章 前饋-反饋仿真分析3.1 系統(tǒng)分析根據(jù)試湊法原理，整定出控制器參數(shù)分別為Kp=7.35,Ki=0.33,Kd=15.22,圖像如下3.1： 圖3.1 系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線3.2 靜態(tài)系統(tǒng)仿真圖靜態(tài)前饋系統(tǒng)仿真模型： 圖3.2 靜態(tài)前饋系統(tǒng)

13、仿真模型當(dāng)K=1.7 時，由下圖3.3可知，系統(tǒng)具有較好的抵御干擾的能力，并且準(zhǔn)確性和快速性良好。 圖3.3 K=1.7時系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線靜態(tài)前饋控制器是在測出擾動量以后，按過程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計(jì)算出校正值，這種校正作用只能保證過程在穩(wěn)態(tài)下補(bǔ)償擾動作用。靜態(tài)控制前饋的兩個缺點(diǎn)：1、每一次負(fù)荷變化都伴隨著一段動態(tài)不平衡過程，它以瞬時溫度誤差的形式表現(xiàn)出來；2、如果負(fù)荷情況與當(dāng)初調(diào)整系統(tǒng)時的情況不同，那么就有可能出現(xiàn)殘差。3.2 動態(tài)系統(tǒng)仿真動態(tài)前饋系統(tǒng)仿真模型： 圖3.4 動態(tài)前饋系統(tǒng)仿真 當(dāng)動態(tài)前饋傳遞函數(shù)為（57.75s+1.2)/(38.54s+1)時，由下圖可知，系統(tǒng)具有較好的抵

14、御干擾的能力，并且準(zhǔn)確性和快速性良好。 圖3.5 動態(tài)前饋仿真響應(yīng)曲線 動態(tài)前饋控制可以校正瞬間動態(tài)不平衡，不過超調(diào)比靜態(tài)前饋控制要大。 從安全工藝角度考慮，因?yàn)榇讼到y(tǒng)為蒸發(fā)器，為了保證在系統(tǒng)發(fā)生故障時仍能不致產(chǎn)生嚴(yán)重后果，此調(diào)節(jié)閥應(yīng)采用氣開形式。 控制器參數(shù)的整定主要采用動態(tài)特性參數(shù)法，求出調(diào)節(jié)器個參數(shù)，然后輔以試湊法，使系統(tǒng)能夠達(dá)到較好的控制效果，具體過程及參數(shù)如圖3.6所述。圖3.6 閉環(huán)系統(tǒng)原理圖 3.3 系統(tǒng)跟蹤性能與抗干擾性能在無干擾時，系統(tǒng)的跟蹤性能響應(yīng)曲線如圖3.7所示： 圖3.7 無干擾時，系統(tǒng)的跟蹤性能響應(yīng)曲線系統(tǒng)的仿真模型如圖： 圖3.8 系統(tǒng)跟蹤性能仿真模型在系統(tǒng)存在干

15、擾時，系統(tǒng)的抗干擾性能響應(yīng)曲線如下圖3.9所示： 圖3.9 系統(tǒng)的抗干擾性能響應(yīng)曲線系統(tǒng)的仿真模型如圖3.10： 圖3.10 系統(tǒng)的抗干擾性能仿真模型 第四章 總結(jié)鑒于傳統(tǒng)PID控制器難以滿足飛行器的控制要求本文采用混沌優(yōu)化和共軛梯度方法相結(jié)合的方法提出了基于混合優(yōu)化算法的前饋-反饋控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，這種控制策略與傳統(tǒng)PID控制相比，具有穩(wěn)定量高、超調(diào)亮小、調(diào)節(jié)時間短、自適應(yīng)性好等動態(tài)和靜態(tài)性能優(yōu)點(diǎn)，為解決前饋-反饋控制器參數(shù)的全局最優(yōu)設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。在這次設(shè)計(jì)的制作過程中，我們查閱了大量有關(guān)自動控制系統(tǒng)的書籍，了解了自動控制的基本原理和目前國內(nèi)外的研究水平。對自動控制系統(tǒng)有了一定的了解。并根據(jù)工作要求設(shè)計(jì)出了前饋-反饋控制系統(tǒng)。經(jīng)過對系統(tǒng)的各個參數(shù)進(jìn)行分析，初步得出了該系統(tǒng)的控制規(guī)律，繼而對系統(tǒng)的其他性能進(jìn)行分析，使這個系統(tǒng)成為一個能夠?qū)崿F(xiàn)的控制的系統(tǒng)。在做的過程中肯定會遇到問題，有一定的