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  • 2021-04-21 11:14:39

    MATLAB的前馈—反馈复合控制系统

    前馈—反馈复合控制系统

    第一节 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。

    前馈控制系统的工作原理可结合下面图1所示的换热器前馈控制进一步说明,图中虚线部分表示反馈控制系统。

    换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液,工艺上要求料液出口温度一定。当被加热水流量发生变化时,若蒸汽两不发生变化,而要使出口温度保持不变,就必须在被加热水量发生变化的同时改变蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。

    图中虚线所示是反馈控制的方法,这种方法没有前馈控制及时。

    图1前馈控制系统的原理框图于图2所示。

    图中,:测量变送器的变送系数;

    (s):干扰通道对象传递函数;

    (s):控制通道对象传递函数;

    (s):前馈控制装置或前馈调节器的传递函数。

    第二节 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可得:

    (s) = [(s) + (s) (s)](s) (1)

    令= 0 则有: = (s) + (s) (s) (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: = (s) + (s) (s) = 0

    所以,前馈控制器的控制规律为: (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(s) 和 (s) 可以很准确测出,且(s) 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。

    第三节 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(s)和(s)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。

    引入反馈控制后,前馈控制中的完全补偿条件不变。

    图(3)为前馈—反馈复合控制系统的原理方框图。

    由图可得,没有加入反馈作用时完全补偿的条件为:

    (4)

    加上反馈后有:

    (5)

    式(5)中,,应用不变性原理有:

    即:

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    本发明属于复合轴控制技术领域,具体涉及一种基于Matlab平台实现的复合轴控制系统超调控制方法。

    背景技术:

    复合轴控制是近年来一种新兴的控制方法,其主要借助快速反射镜响应快、精度高的特点补偿常规控制系统残留的偏差。在复合轴控制中,常规控制系统作为主控系统(主轴),包含快速反射镜的控制系统作为子控系统(子轴),但现有技术中,由于采用复合轴控制的跟踪瞄准装置在给定输入信号时,没有根据目标位置设计一个预先瞄准的过程,因此超调现象严重。

    技术实现要素:

    (一)要解决的技术问题

    本发明要解决的技术问题是:如何解决现有复合轴控制系统超调现象严重的问题。

    (二)技术方案

    为了解决上述技术问题,本发明提供了一种基于Matlab平台实现的复合轴控制系统超调控制方法,包括以下步骤:

    复合轴控制系统在给定输入信号x时,根据目标位置设计一个预先瞄准的过程,即在输入信号与复合轴控制系统的后续环节之间设置一个预瞄模块,将预瞄模块的输出y代替给定输入信号x作为复合轴控制系统的输入信号。

    优选地,预瞄模块的输出y的计算过程为:

    设复合轴控制系统中的位置控制器、速度控制器均使用PI控制器,则首先设置复合轴控制系统的外置参数:PI控制器常值增益为kSP、积分增益为kSI,电机的电气时间常数为Te、机械时间常数为Tm;

    然后设置主轴速度环前向通道函数Gv:

    求得主轴速度环闭环传递函数GvB:

    GvB=feedback(Gv,1) (2)

    feedback()为matlab的m文件中的函数;

    利用输入信号x得到输出信号u:

    u=GvB·x (3)

    进而求得偏差e:

    e=x-u (4)

    最终得到所述预瞄模块的输出y:

    优选地,外界参数Te=1.5×10-3。

    优选地,Tm=0.22。

    优选地,kSP=3,kSI=12。

    (三)有益效果

    本发明的复合轴控制系统在给定输入信号x时,根据目标位置设计一个预先瞄准的过程,即在输入信号与复合轴控制系统的后续环节之间设置一个预瞄模块,将预瞄模块的输出y代替给定输入信号x作为复合轴控制系统的输入信号,当目标在跟踪视场范围内时,再启用快速反射镜进行高精度跟踪补偿,速度使Matlab平台下的仿真模型更接近实际系统,解决了现有复合轴控制系统超调现象严重的问题。

    附图说明

    图1是本发明的复合轴控制系统Matlab结构框图;

    图2是本发明的预瞄模块Matlab结构框图;

    图3是带有预瞄模块Matlab仿真图;

    图4是无预瞄模块Matlab仿真图。

    具体实施方式

    为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

    本发明的复合轴控制系统Matlab结构框图如图1所示,复合轴控制系统在给定输入信号x时,根据目标位置设计一个预先瞄准的过程,即在输入信号与复合轴控制系统的后续环节之间设置一个预瞄模块,将预瞄模块的输出y代替给定输入信号x作为复合轴控制系统的输入信号,当目标在跟踪视场范围内时,再启用快速反射镜进行高精度跟踪补偿,速度使Matlab平台下的仿真模型更接近实际系统,解决现有复合轴控制系统超调现象严重的问题。

    因此,本发明设计的一种基于Matlab平台实现的复合轴控制系统超调控制方法,包括以下步骤:

    设复合轴控制系统中的位置控制器、速度控制器均使用PI控制器,则首先设置复合轴控制系统的外置参数:PI控制器常值增益为kSP、积分增益为kSI,电机的电气时间常数为Te、机械时间常数为Tm;

    然后设置主轴速度环前向通道函数Gv:

    求得主轴速度环闭环传递函数GvB:

    GvB=feedback(Gv,1) (2)

    feedback()为matlab的m文件中的函数;

    利用输入信号x得到输出信号u:

    u=GvB·x (3)

    进而求得偏差e:

    e=x-u (4)

    最终得到预瞄模块的输出y:

    本实施例中,设置外界参数Te=1.5×10-3,Tm=0.22,kSP=3,kSI=12,给定输入信号x。按照公式(1)搭建如图2所示的预瞄模块Matlab\simulink结构框图,按照公式(5)编写图2中的“premove”模块,即预瞄模块。搭建好后运行仿真程序,可以得到如图3所示的仿真图。对比无预瞄模块的仿真曲线(图4),无预瞄模块的仿真曲线带有明显的超调,实际工程中不可能出现此现象,而带有预瞄模块的仿真曲线更接近实际工程情况。

    以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

    展开全文
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    MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真(修订版)

    作 者:王正林,郭阳宽 著

    出版时间:2012

    丛编项:高等院校电子信息类教材

    内容简介

    《高等院校电子信息类教材:MATLAB\Simulink与过程控制系统仿真(修订版)》以仿真应用为中心,系统、详细地讲述了过程控制系统的仿真,并结合MATLAB/Simulink仿真工具的应用,通过大量经典的仿真实例,全面讲述过程控制系统的结构、原理、设计和参数整定等知识。全书分为基础篇、实战篇和综合篇。基础篇包括过程控制及仿真概述、MATLAB计算与仿真基础、Simulink仿真基础、Simulink高级仿真技术,以及过程控制系统建模;实战篇包括PID控制、串级控制、比值控制、前馈控制、纯滞后和解耦控制系统;综合篇包括典型工业过程仿真实训。

    目录

    基础篇

    第1章 过程控制及仿真概述

    1.1 过程控制系统概述

    1.1.1 系统结构

    1.1.2 系统特点

    1.1.3 系统分类

    1.2 过程控制系统的性能指标

    1.2.1 过渡过程性能指标

    1.2.2 误差性能指标

    1.3 过程控制理论的发展现状

    1.4 过程控制系统仿真基础

    1.4.1 计算机仿真基本概念

    1.4.2 仿真在过程控制中的应用

    1.5 MATLAB/Simulink在过程仿真中的优势

    1.6 本章小结

    第2章 MATLAB计算与仿真基础

    2.1 MATLAB概述

    2.1.1 MATLAB发展历程

    2.1.2 MATLAB系统构成

    2.1.3 MATLAB常用工具箱

    2.2 MATLAB桌面操作环境

    2.2.1 启动和退出

    2.2.2 主菜单

    2.2.3 命令窗口

    2.2.4 工作空间

    2.2.5 文件管理

    2.2.6 帮助系统

    2.3 MATLAB数值计算基础

    2.3.1 MATLAB数值类型

    2.3.2 矩阵运算

    2.4 关系运算和逻辑运算

    2.5 符号运算

    2.5.1 符号运算基础

    2.5.2 控制系统中常用的符号运算

    2.6 复数和复变函数运算

    2.6.1 复数运算基础

    2.6.2 拉普拉斯变换及逆变换

    2.6.3 Z变换及逆变换

    2.7 MATLAB的图形绘制

    2.8 MATLAB程序设计基础

    2.8.1 MATLAB程序类型

    2.8.2 MATLAB程序流程控制

    2.8.3 MATLAB程序基本设计原则

    2.9 本章小结

    第3章 Simulink仿真基础

    3.1 Simulink仿真概述

    3.1.1 Simulink的启动与退出

    3.1.2 Simulink模块库

    3.2 Simulink仿真模型及仿真过程

    3.2.1 Simulink仿真模型组成

    3.2.2 Simulink仿真的基本过程

    3.3 Simulink模块的处理

    3.3.1 Simulink模块参数设置

    3.3.2 Simulink模块基本操作

    3.3.3 Simulink模块连接

    3.4 Simulink仿真设置

    3.4.1 仿真器参数设置

    3.4.2 工作空间数据导入/导出设置

    3.5 Simulink仿真举例

    3.6 本章小结

    习题与思考

    第4章 Simulink高级仿真技术

    4.1 Simulink子系统及其封装

    4.1.1 创建子系统

    4.1.2 封装子系统

    4.1.3 封装的查看和解封装

    4.1.4 子系统实例

    4.2 S函数设计与应用

    4.2.1 S函数设计模板

    4.2.2 S函数设计举例

    4.3 使用Simulink仿真命令

    4.4 Simulink仿真建模的要求

    4.5 Simulink控制系统仿真实例

    4.6 本章小结

    习题与思考

    第5章 过程控制系统建模

    5.1 过程模型概述

    5.1.1 过程建模的目的和要求

    5.1.2 过程模型类型

    5.1.3 自衡过程与非自衡过程

    5.2 常见的过程模型类型

    5.2.1 自衡非振荡过程

    5.2.2 无自衡非振荡过程

    5.2.3 自衡振荡过程

    5.2.4 具有反向特性的过程

    5.3 过程建模基础

    5.3.1 过程建模法分类

    5.3.2 阶跃响应法建模

    5.3.3 过程模型的特点

    5.4 单容过程模型

    5.4.1 无自衡单容过程

    5.4.2 自衡单容过程

    5.5 多容过程模型

    5.5.1 有相互影响的双容过程

    5.5.2 无相互影响的双容过程

    5.6 模型参数对控制性能的影响

    5.6.1 静态增益的影响

    5.6.2 时间常数的影响

    5.6.3 时滞的影响

    5.7 本章小结

    习题与思考

    实战篇

    第6章 PID控制

    6.1 PID控制概述

    6.2 PID控制算法

    6.2.1 比例(P)控制

    6.2.2 比例积分(PI)控制

    6.2.3 比例微分(PD)控制

    6.2.4 比例积分微分(PID)控制

    6.3 PID控制器参数整定

    6.3.1 Ziegler-Nichols整定法

    6.3.2 临界比例度法

    6.3.3 衰减曲线法

    6.4 本章小结

    习题与思考

    第7章 串级控制系统

    7.1 串级控制系统概述

    7.1.1 基本概念

    7.1.2 基本组成

    7.1.3 串级控制的特点

    7.2 串级控制系统性能分析

    7.2.1 抗扰性能

    7.2.2 动态性能

    7.2.3 工作频率

    7.2.4 自适应能力

    7.3 串级控制系统设计

    7.3.1 副回路选择

    7.3.2 主、副控制器的设计

    7.4 串级控制参数整定

    7.4.1 逐次逼近法

    7.4.2 两步法

    7.4.3 一步法

    7.5 综合仿真实例

    7.5.1 串级与单回路控制对比仿真

    7.5.2 串级控制的参数整定仿真

    7.5.3 串级控制系统设计仿真

    7.6 本章小结

    习题与思考

    第8章 比值控制系统

    8.1 比值控制系统概述

    8.1.1 比值控制系统特点

    8.1.2 比值控制系统的类型

    8.1.3 比值系数计算

    8.2 比值控制系统设计

    8.2.1 比值控制方式的选择

    8.2.2 主从物料的选择

    8.2.3 比值控制系统工程整定

    8.3 综合仿真实例

    8.3.1 单闭环比值控制系统仿真

    8.3.2 双闭环比值控制系统仿真

    8.3.3 变比值控制系统仿真

    8.3.4 参数摄动对系统影响仿真

    8.4 本章小结

    习题与思考

    第9章 前馈控制系统

    9.1 前馈控制系统概述

    9.1.1 系统结构

    9.1.2 系统特点

    9.1.3 系统分类

    9.2 前馈控制系统设计

    9.2.1 前馈控制系统选择原则

    9.2.2 工程整定

    9.3 综合仿真实例

    9.3.1 静态前馈系统仿真

    9.3.2 动态前馈系统仿真

    9.3.3 前馈-反馈复合系统仿真

    9.3.4 前馈-串级复合系统仿真

    9.3.5 参数摄动对系统影响仿真

    9.4 本章小结

    习题与思考

    第10章 纯滞后系统

    10.1 纯滞后系统概述

    10.2 纯滞后系统的设计

    10.2.1 改进的常规控制方案

    10.2.2 补偿控制方案

    10.3 综合仿真实例

    10.3.1 微分先行控制仿真

    10.3.2 中间微分控制仿真

    10.3.3 史密斯补偿控制仿真

    10.3.4 增益自适应补偿控制仿真

    10.3.5 改进型史密斯补偿控制仿真

    10.3.6 参数摄动对系统影响仿真

    10.4 本章小结

    习题与思考

    第11章 解耦控制系统

    11.1 解耦控制系统概述

    11.1.1 系统特点

    11.1.2 相对增益

    11.2 解耦控制系统设计

    11.2.1 系统分类及解耦方法

    11.2.2 解耦控制方案

    11.2.3 解耦控制中的问题

    11.3 综合仿真实例

    11.3.1 前馈补偿解耦控制

    11.3.2 反馈补偿解耦控制

    11.3.3 对角阵解耦控制

    11.3.4 参数摄动对系统影响仿真

    11.4 本章小结

    习题与思考

    综合篇

    第12章 典型工业过程仿真实训

    12.1 燃烧过程控制系统

    12.1.1 系统特点

    12.1.2 综合仿真实例

    12.2 pH值控制系统

    12.2.1 系统特点

    12.2.2 综合仿真实例

    12.3 精馏控制系统

    12.3.1 系统特点

    12.3.2 基本控制方案

    12.3.3 综合仿真实例

    12.4 本章小结

    习题与思考

    参考文献

    展开全文
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    一、伺服电机脉冲控制方式

    在一些小型单机设备,选用脉冲控制实现电机的定位,应该是最常见的应用方式,这种控制方式简单,易于理解。
    基本的控制思路:脉冲总量确定电机位移,脉冲频率确定电机速度。选用了脉冲来实现伺服电机的控制,翻开伺服电机的使用手册,一般会有如下这样的表格:
    在这里插入图片描述
    都是脉冲控制,但是实现方式并不一样:

    第一种,驱动器接收两路(A、B路)高速脉冲,通过两路脉冲的相位差,确定电机的旋转方向。如上图中,如果B相比A相快90度,为正转;那么B相比A相慢90度,则为反转。运行时,这种控制的两相脉冲为交替状,因此我们也叫这样的控制方式为差分控制。具有差分的特点,那也说明了这种控制方式,控制脉冲具有更高的抗干扰能力,在一些干扰较强的应用场景,优先选用这种方式。但是这种方式一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口,对高速脉冲口紧张的情况,比较不适用。

    第二种,驱动器依然接收两路高速脉冲,但是两路高速脉冲并不同时存在,一路脉冲处于输出状态时,另一路必须处于无效状态。选用这种控制方式时,一定要确保在同一时刻只有一路脉冲的输出。两路脉冲,一路输出为正方向运行,另一路为负方向运行。和上面的情况一样,这种方式也是一个电机轴需要占用两路高速脉冲端口。

    第三种,只需要给驱动器一路脉冲信号,电机正反向运行由一路方向IO信号确定。这种控制方式控制更加简单,高速脉冲口资源占用也最少。在一般的小型系统中,可以优先选用这种方式。

    二、伺服电机模拟量控制方式

    在需要使用伺服电机实现速度控制的应用场景,我们可以选用模拟量来实现电机的速度控制,模拟量的值决定了电机的运行速度。

    模拟量有两种方式可以选择,电流电压

    **电压方式:**只需要在控制信号端加入一定大小的电压即可,在有些场景甚至使用一个电位器即可实现控制,非常的简单。但选用电压作为控制信号,在环境复杂的场景下,电压容易被干扰,造成控制不稳定。

    **电流方式:**需要对应的电流输出模块,但电流信号抗干扰能力强,可以使用在复杂的场景。

    三、伺服电机通信控制方式

    采用通信方式实现伺服电机控制的常见方式有CAN、EtherCAT、Modbus、Profibus。使用通信方式来对电机进行控制,是目前一些复杂、大系统应用场景首选的控制方式。在这种方式下,系统的大小、电机轴的多少都易于裁剪,没有复杂的控制接线。搭建的系统具有极高的灵活性。

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    四、差异对比
    1、脉冲/方向控制时,控制器开环控制,驱动器做闭环控制(位置环,速度环和电流环)。
    2、模拟量控制时,控制器做闭环控制(位置环和速度环)。
    3、脉冲/方向控制在高速脉冲时,会不可靠,而模拟量控制不会。
    4. 总线控制是分布式控制,控制器和驱动之间通过数字通信方式连接。总线控制一个最明显的优点是省布线和远距离。
    五、加餐

    1、伺服电机转矩控制

    转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小,具体表现为例如10V对应5Nm的话,当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm。如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转,外部负载等于2.5Nm时电机不转,大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小,也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。

    主要应用在对材质受力有严格要求的缠绕和放卷装置中,例如绕线装置或拉光纤设备,转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

    2、伺服电机位置控制:

    位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小,通过脉冲的个数来确定转动的角度,也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制,所以一般应用于定位装置,数控机床、印刷机械等等。

    3 、伺服电机速度模式:

    通过模拟量或脉冲频率的输入都可以进行转动速度的控制,在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位,但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位机反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号,此时的电机轴端的编码器只检测电机转速,位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了,这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差,增加了整个系统的定位精度。

    4、谈谈3环

    伺服一般为三个环控制,所谓三环就是3个闭环负反馈PID调节系统。第1环是最内的PID环就是电流环,此环完全在伺服驱动器内部进行,通过霍尔装置检测驱动器给电机的各相的输出电流,负反馈给电流的设定进行PID调节,从而达到输出电流尽量接近等于设定电流,电流环就是控制电机转矩的,所以在转矩模式下驱动器的运算最小,动态响应最快。

    第2环是速度环,通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节,它的环内PID输出直接就是电流环的设定,所以速度环控制时就包含了速度环和电流环,换句话说任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。

    第3环是位置环,它是最外环,可以在驱动器和电机编码器间构建也可以在外部控制器和电机编码器或最终负载间构建要根据实际情况来定。由于位置控制环内部输出就是速度环的设定,位置控制模式下系统进行了所有3个环的运算,此时的系统运算量最大,动态响应速度也最慢。

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复合控制系统的特点