前馈-反馈控制系统优化策略

图7-25 进料前馈控制系统仿真曲线

某一热交换器，要求出口液体的温度Y（s）保持不变，被加热液体的流量变化比较剧烈，系统采用前馈-反馈控制方案，如图7-26所示。

其各部分的传递函数如下：对象控制通道传递函数为

扰动作用的对象扰动通道的传递函数为

控制阀传递函数为

流量测量变送器的传递函数为

图7-26 热交换器的前馈-反馈控制系统

a）热交换器前馈-反馈控制原理图 b）前馈-反馈控制结构图

G_F（s）＝2

温度测量变送器的传递函数为

G_T（s）＝1

另外，G_c（s）为反馈控制器的传递函数，G_ff（s）为前馈控制器的传递函数。

对于反馈控制系统的整定，为保证系统稳态无误差，反馈控制器采用PI控制规律，将扰动通道断开，按单回路系统整定参数，选定K_P＝0.55、T_I＝80s。反馈控制系统的单位阶跃响应如图7-27所示。

图7-27 反馈系统的单位阶跃响应

图7-28 反馈控制系统给定信号和扰动信号作用下阶跃响应(www.xing528.com)

在系统稳定运行200s时，突加幅值为0.3的阶跃扰动信号，反馈控制系统的单位阶跃响应如图7-28a所示，系统的动态偏差高达125％，调节时间为150s。若扰动信号幅值突变为1，系统阶跃响应如图7-28b所示，系统的动态偏差高达420％，调节时间为200s，反馈控制系统可以满足系统的稳态要求，但系统的动态特性很难满足要求。为此，构成前馈-反馈控制系统，其Simulink仿真框图如图7-29所示。

图7-29 前馈-反馈控制系统Simulink仿真框图

图7-30 反馈整定的静态系数响应过程

前馈控制系统的整定过程为：首先，静态前馈放大系数K_ff的确定采用闭环整定法。系统输入为零，干扰信号为单位阶跃，动态前馈控制器的T₁＝T₂＝0，改变K_ff观测扰动响应曲线，图7-30a依次为K_ff＝0、K_ff＝1.5和K_ff＝-1.5时的动态响应曲线；图7-30b依次为K_ff＝1.75、K_ff＝1.25和K_ff＝0.78时的动态响应曲线。由图7-30可以看到当K_ff＝0.78时，静态前馈补偿效果最佳。

前馈控制器类型确定如下：仿真框图如图7-29所示，给定输入为零，干扰输入为单位阶跃信号，取K_ff＝0.78、T₁＝1、T₂＝1、K_ff＝0.78、T₁＝1、T₂＝10和K_ff＝0.78、T₁＝10、T₂＝1时，系统的响应曲线如图7-31所示，分析选择前馈控制器为PD控制器。

整定动态前馈控制器的时间常数T₁和T₂，选取K_ff＝0.78和不同组合的T₁、T₂（K_ff＝0.78、T₁＝10、T₂＝5，K_ff＝0.78、T₁＝20、T₂＝8，K_ff＝0.78、T₁＝30、T₂＝10，K_ff＝0.78、T₁＝40、T₂＝10，K_ff＝0.78、T₁＝40、T₂＝15，K_ff＝0.78、T₁＝50、T₂＝20）时，系统输出响应曲线如图7-32所示。

由图7-32得最佳参数值为K_ff＝0.78、T₁＝50、T₂＝20，即前馈控制器为

图7-31 不同T₁、T₂时系统动态响应曲线

图7-32 动态前馈控制器时间常数整定仿真曲线

前馈-反馈控制系统设定值为10并施加幅值为3的随机干扰信号，对象输出端施加幅值为0.3的随机干扰信号，可测干扰信号在1000s时由0突变为5，系统的Simulink仿真框图如图7-33所示，系统的响应曲线如图7-34所示，曲线依次为输入信号、可测干扰信号、前馈-反馈控制器输出和系统输出响应。

图7-33 前馈-反馈控制系统的仿真框图

图7-34 前馈-反馈控制系统的响应曲线

采用前馈-反馈控制，除具有反馈控制的优点外，可以对干扰信号进行同步补偿，从而使控制系统获得较好的控制品质。