1、實(shí)驗(yàn)四 前饋控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 通過本實(shí)驗(yàn)，了解前饋控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。2) 掌握前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和控制器的參數(shù)整定方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理干擾對(duì)系統(tǒng)的作用是通過干擾通道進(jìn)行的。前饋控制的原理是給系統(tǒng)附加一個(gè)前饋通道（或稱前饋控制器），使所測(cè)量的系統(tǒng)擾動(dòng)通過前饋控制器改變控制量。利用擾動(dòng)所附加的控制量與擾動(dòng)對(duì)被控制量影響的疊加消除或減小干擾的影響。 前饋控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：1) 屬于開環(huán)控制 只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。但若系統(tǒng)中有一個(gè)環(huán)節(jié)不穩(wěn)定，或局部不穩(wěn)定，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。另外，系統(tǒng)的控制精度取決于構(gòu)成控制系統(tǒng)的每一部分的精度，所以對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較

2、高。2) 很強(qiáng)的補(bǔ)償局限性 前饋控制實(shí)際是利用同一干擾源經(jīng)過干擾通道和前饋通道對(duì)系統(tǒng)的作用的疊加來消除干擾的影響。因此，固定的前饋控制只對(duì)相應(yīng)的干擾源起作用，而對(duì)其他干擾沒有影響。而且，在工程實(shí)際中，影響生產(chǎn)過程的原因多種多樣，系統(tǒng)隨時(shí)間、工作狀態(tài)、環(huán)境等情況的變化，也會(huì)發(fā)生變化甚至表現(xiàn)出非線性，這些都導(dǎo)致不可能精確確定某一干擾對(duì)系統(tǒng)影響的程度或數(shù)學(xué)描述關(guān)系式。因此，前饋控制即使對(duì)單一干擾也難以完全補(bǔ)償。3) 前饋控制反應(yīng)迅速 在前饋控制系統(tǒng)中，信息流只向前運(yùn)行，沒有反饋問題，因此相應(yīng)提高了系統(tǒng)反應(yīng)的速度。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器及時(shí)動(dòng)作，對(duì)抑制被控制量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)靜態(tài)偏差比較有效。這非常

3、有利于大遲滯系統(tǒng)的控制。4) 只能用于可測(cè)的干擾 對(duì)不可測(cè)干擾，由于無(wú)法構(gòu)造前饋控制器而不能使用。 按結(jié)構(gòu)，前饋控制可分為靜態(tài)前饋控制、動(dòng)態(tài)前饋控制、前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)、前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)等。一個(gè)典型的前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)如圖4-1所示。前饋-反饋復(fù)合控制和前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)的工程整定方法主要有兩種：1) 前饋控制和反饋或串級(jí)分別整定，確定各自參數(shù)，然后組合在一起；2) 首先整定反饋控制系統(tǒng)或串級(jí)控制系統(tǒng)，然后再在反饋或串級(jí)的基礎(chǔ)上引入前饋控制系統(tǒng)，并對(duì)前饋控制系統(tǒng)進(jìn)行整定。其中前饋控制的整定分成靜態(tài)前饋系數(shù)整定、時(shí)間常數(shù)整定兩步。圖4-1 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)框圖單純靜態(tài)前饋

4、系數(shù)整定有三種方法：1) 當(dāng)系統(tǒng)無(wú)前饋時(shí)，設(shè)系統(tǒng)在輸入x0(此時(shí)對(duì)應(yīng)控制量為u0)，擾動(dòng)m0作用下，系統(tǒng)輸出為y0；改變擾動(dòng)為m1后，改變輸入為x1(此時(shí)對(duì)應(yīng)控制量為u1)，維持系統(tǒng)輸出為y0不變。則所求前饋控制器的靜態(tài)放大系數(shù)為：2) 當(dāng)系統(tǒng)無(wú)前饋時(shí)，設(shè)系統(tǒng)在輸入x0，無(wú)擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)輸出為y0；然后加入擾動(dòng)并接入前饋回路，調(diào)節(jié)前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)k使系統(tǒng)的輸出回復(fù)為y0，此時(shí)的k值為所求的前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)。3) 利用系統(tǒng)辨識(shí)方法，分別得到控制通道的傳遞函數(shù) 和擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù) ，則所求前饋控制器的靜態(tài)系數(shù)為：時(shí)間常數(shù)整定的方法。前饋控制器通常具有以下形式：其中Kd為靜態(tài)前饋系數(shù)。該

5、形式的前饋調(diào)節(jié)器實(shí)際上是超前滯后補(bǔ)償器，若起超前補(bǔ)償作用(此時(shí)干擾通道時(shí)延小于前饋控制通道時(shí)延)，則Td1> Td2；若起滯后補(bǔ)償作用(此時(shí)干擾通道時(shí)延大于前饋控制通道時(shí)延)，則Td1< Td2。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖4-1中，假設(shè)系統(tǒng)干擾通道傳遞函數(shù)為 系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為 反饋回路傳遞函數(shù)為 1) 畫出該控制系統(tǒng)的Simulink仿真圖。2) 斷開反饋回路，求靜態(tài)前饋系數(shù)和動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)，并給出Simulink仿真圖。K=-2.5、Td1=1.35、Td1=63) 斷開前饋回路，整定反饋控制器參數(shù)，并給出Simulink仿真圖。Ki=0.26、Ki=0.024、Kd=1.2154) 利用各整定參數(shù)構(gòu)建前饋-反饋復(fù)合控制，并給出系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)果曲線圖。其中給定值為5。5) 采用第二種整定方案，首先整定反饋控制系統(tǒng)。在整定好的反饋控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上，再整定前饋控制器的靜態(tài)前饋系數(shù)和動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)，并給出相應(yīng)的Simulink仿真圖。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1) 按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告所