哈尔滨工业大学（威海） 课设： 过程控制课程设计 姓名： 王劲力 班级： 1102102 学号： 110210219 目录第一章 前馈-反馈控制与设计任务11.1 前馈控制11.2 反馈控制11.3 设计任务11.4 设计要求11.5 设计报告1第二章 前馈-反馈系统22.1 前馈控制系统的组成22.2 前馈控制系统的特点22.3 前馈-反馈复合控制系统特性分析3第三章 前馈-反馈仿真分析63.1 系统分析63.2 静态系统仿真图63.2 动态系统仿真73.3 系统跟踪性能与抗干扰性能9第四章 总结11参考文献11第一章 前馈-反馈控制与设计任务1.1 前馈控制 前馈控制（英文名称为Feedforward Control），是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。1.2 反馈控制 反馈控制（英文名称为Feedback Control），是指从被控对象获取信息，按照偏差的极性而向相反的方向改变控制量，再把调节被控量的作用馈送给控制对象，这种控制方法称为反馈控制，也称作按偏差控制。反馈控制总是通过闭环来实现的。反馈控制的特点：反馈控制的特点有：按偏差进行调节；调节量小，失调量小；能随时了解被控变量变化情况；输出影响输入（闭环）。反馈控制必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用；调节不及时，被控变量总是变化的。1.3 设计任务 蒸发器的控制通道传递函数为，扰动通道的传递函数为，设计前馈-反馈控制系统，具体要求如下：1.4 设计要求 1) 采用matlab仿真分析不同形式前馈控制器对系统性能的影响； 2） 采用matlab仿真分析不同形式前馈-反馈控制器对系统性能的影响；3) 选择一种较为理想的控制方案进行设计，给出相应的闭环系统原理图；4） 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能。1.5 设计报告 课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。第二章 前馈-反馈系统2.1 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原理框图如图2.1所示。图2.1 前馈控制系统的原理框图：干扰通道对象传递函数；： 控制通道对象传递函数；：前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。2.2 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2.1可得: （2-1）则有： =+ （2-2）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： =+=0 所以，前馈控制器的控制规律为： （2-3）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 和 可以很准确测出，且 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。2.3 前馈-反馈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，必然导致和的变化，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：（1） 引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变。 图2.2 前馈反馈复合控制系统的原理方框图由图2.1和图2.2可得，没有加入反馈作用时完全补偿的条件为： （2-4）加上反馈后有： （2-5）式（5）中，应用不变性原理有： 即： （2-6）式（4）与式（6）完全一样。 而如果不加前馈作用，即若，显然: (2-7)由于，因此扰动对系统输出是有影响的。 （2） 复合控制系统补偿控制的规律不仅与对象控制通道和干扰通道的传递函数有关，还与反馈调节器的位置有关。若复合控制系统的组成如图2.3所示，反馈调节器与图2.3相比，不是放在前馈信号前面，而是放在后面，则有： (2-8)图2.3 复合控制系统可得完全补偿条件： （2-9） 显然与式（4）不同。（3） 复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多。 为放便比较，设系统为定值控制，即 ，专门讨论扰动对系统的影响。因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(s)的第二项不可能完全为零，令其为，那么，纯前馈控制时： （2-10）加入反馈后，则： （2-11）因为，因此: （2-12）对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。（4）前馈补偿对于系统稳定性没有影响。这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入输出传递函数的分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。第三章 前馈-反馈仿真分析3.1 系统分析根据试凑法原理，整定出控制器参数分别为Kp=7.35,Ki=0.33,Kd=15.22,图像如下3.1： 图3.1 系统仿真响应曲线3.2 静态系统仿真图静态前馈系统仿真模型： 图3.2 静态前馈系统仿真模型当K=1.7 时，由下图3.3可知，系统具有较好的抵御干扰的能力，并且准确性和快速性良好。 图3.3 K=1.7时系统仿真响应曲线静态前馈控制器是在测出扰动量以后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值，这种校正作用只能保证过程在稳态下补偿扰动作用。静态控制前馈的两个缺点：1、每一次负荷变化都伴随着一段动态不平衡过程，它以瞬时温度误差的形式表现出来；2、如果负荷情况与当初调整系统时的情况不同，那么就有可能出现残差。3.2 动态系统仿真当动态前馈传递函数为（57.75s+1.2)/(38.54s+1)时，由下图可知，系统具有较好的抵御干扰的能力，并且准确性和快速性良好。 图3.5 动态前馈仿真响应曲线 动态前馈控制可以校正瞬间动态不平衡，不过超调比静态前馈控制要大。 从安全工艺角度考虑，因为此系统为蒸发器，为了保证在系统发生故障时仍能不致产生严重后果，此调节阀应采用气开形式。 控制器参数的整定主要采用动态特性参数法，求出调节器个参数，然后辅以试凑法，使系统能够达到较好的控制效果，具体过程及参数如图3.6所述。图3.6 闭环系统原理图 3.3 系统跟踪性能与抗干扰性能在无干扰时，系统的跟踪性能响应曲线如图3.7所示： 图3.7 系统的跟踪性能响应曲线（无干扰时）系统的仿真模型如图： 图3.8 系统跟踪性能仿真模型在系统存在干扰时，系统的抗干扰性能响应曲线如下图3.9所示： 图3.9 系统的抗干扰性能响应曲线系统的仿真模型如图3.10：