前馈-反馈控制系统的具体分析及其matlab／simulink.pdf 
 
前馈一反馈控制系统的具体分析 及其MATLAB／Simul ink仿真 孙秀丽，王培培 (成都理工大学，四川成都，61 0059) 摘要：在被控对象表现出大滞后、干扰频繁的控制系统中，为了使控制及时，且衡量控制效果的性能指 标理想，控制系统中通常引入“补偿控制器”。本文在补偿控制的基本概念的基础上，结合前馈控制系 统和反馈控制系统的基本原理，系统分析了前馈一反馈控制系统的实现原理及其所具备的优势。通过 MATLAB／Simul ink仿真，深化了对前馈一反馈控制系统的理解，并基于MATLAB／Simu1 ink完成了PID控 制器参数的工程整定，使控制系统的设计变得简单、易行。 关键词：前馈一反馈控制系统；MATLAB／Simul ink；仿真 1 引言 随着生产过程工艺的发展及技术的进步，对自 动控制系统的要求也越来越高。工业控制对象往往 伴随大量的干扰，采用常规的反馈控制系统有时很 难获得良好的控制质量，为了适应控制系统中存在 的这些干扰，在控制理论中提出了补偿控制的基本 概念 。单纯的前馈控制是一种开环控制，只能对指 定的扰动量进行补偿控制，且控制系统存在偏差，这 就给前馈控制的广泛应用带来了障碍。而反馈控制 系统调节的依据是控制的偏差， 无法将干扰克服 在被控变量偏离设定值之前，干扰进入系统后，被控 变量产生的波动需经过一段时间才能表现出来，这 就限制了反馈控制器作用的充分发挥 】。因此，在 工程上往往将前馈与反馈结合起来应用，构成前馈 一反馈控制系统，这样既能发挥前馈控制作用及时 的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动以及对 被控量进行检验的长处，是一种适合过程控制的好 方法 。 本文在理解补偿控制的基本概念的基础上，结 合前馈控制和反馈控制的基本原理，详细介绍了前 馈一反馈控制系统的实现原理 ，综合分析出在过 程控制系统中，前馈一反馈控制系统结合了单纯前 馈控制和单纯反馈控制各自的优势，保证了其在实 际工程中的广泛应用条件。给出了 MATLAB／Simulink仿真技术在前馈一反馈控制系统 中的应用流程以及仿真过程中用到的工程整定方 法。并基于MATLAB／Simulink完成了PID控制器参 数的工程整定 ，使控制系统的设计变得简单、易 行 2前馈一反馈控制系统的具体分析 2．1前馈控制的基本原理[ 图1为前馈控制的基本原理图。前馈控制是按 扰动量的变化进行控制的。其控制原理是：当系统出 ，●●^，^…^…；……-- 现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根 据扰动量的大小来改变控制量，以抵消或减小扰动 对被控量的影响。 图1前馈控制原理图 其中，G (s)为干扰通道的传递函数；G (s)为 前馈控制器的传递函数；c (S)为控制通道的传递 函数；G：(s)为被控对象的传递函数。在扰动量M (S)的作用下，系统输出为： Y(s)=M(s)(Gf(s)G (s)+G (S))G：(s) 当M(S)≠0时，Y(S)=0，表示被控变量在 干扰的影响下仍然被稳定控制在期望值上，由此得 到如下的补偿条件： Y(s)=M(s)(Gf(S)G (s) +Gd(S))G2(s)=0 即G (s)=一G (s)／G。(s) (1) 则不论扰动量M(S)为何值，总有Y(s)=0， 这就是完全补偿。 2．2反馈控制的基本原理 图2为反馈控制的基本原理图。反馈控制是按 被控量的偏差进行控制的。其控制原理是：将被控 量的偏差信号反馈到控制器，由控制器去修正控制 量，以减小偏差量。因此，反馈控制能产生作用的条 件是被控量必须偏离设定值。 图2反馈控制原理图 ‘、‘J-^ ，^．^-^-，^：……一 其中，Gc(S)为反馈调节器函数；G (S)，G：(s) 为被控对象的传递函数；H(s)为系统输出至系统 给定环节的反馈通道传递函数。在给定值x(s)的 作用下，系统输出为： Y(s)=X(s)G (s)G (s)G (s)／ (I+G (s)G (S)G (s)H(s)) (2) 前馈控制与反馈控制的比较： a)由图1可知，前馈控制处于开环控制状态， 其系统的稳定性依赖各个环节的稳定性，即其控制 效果依赖于前馈补偿条件所建模型的准确性。由图 2可知，反馈控制是典型的闭环控制方式，它根据被 控变量的反馈值与设定值的控制偏差进行反馈调 节，系统存在着稳定性问题。 b)从式(1)可知，前馈控制器依赖于控制模型 的准确性。不同的被控对象，其设计结果也不一样， 相对来说，前馈控制器是专用控制器。反馈控制系统 经常采用的PID控制器是一种广泛适用的控制器。 c)由式(1)的推导过程可知，当某一干扰输入 到系统后，在对被控变量产生影响之前，前馈控制器 就会产生相应的控制作用，即前馈控制对干扰的抑 制作用比较及时。要实现对扰动作用的完全补偿，前 馈控制器的控制模型需足够准确。反馈控制器虽然 对回路中出现的所有干扰均具有抑制作用，但一般 要在被控变量产生波动后，反馈控制器才能输出相 应的控制作用。从控制的快速性指标上来说，前馈 控制明显优于反馈控制。 d)前馈控制只针对可测不可控的干扰。反馈控 制则可以抑制包括不可测干扰在内的所有闭合回路 中的扰动。 2．3前馈一反馈控制系统的基本原理[2-5] 前馈一反馈复合控制系统结构有两种形式如 图3、图4。 对于图3所表示的前馈一反馈控制系统，系统 对扰动的传递函数为： Y(s)／M(s)=(G (s) +Gf(s)G1(s))G2(S)／ L一系统设计 悉 【!j 图3前馈信号接在反馈控制器之后 图4前馈信号接在反馈控制器之前 (1+G (s)G (S)G：(s)H(s)) 而在单纯前馈控制下，系统对扰动的传递函数 为： Y(s)／M(s)=(G (s)+G (s)G。(s))G (s) 可见，前馈一反馈复合控制与单纯的反馈相 比，扰动量对被控量的影响为原来的1／『1+G (S) G (s)G (S)H(S)1，扰动影响减小了，同时又增加 了反馈调节能力。 前馈一反馈复合控制实现干扰全补偿的条件： G (S)=一( 。(S)／G (S) 这与实现前馈控制的完全补偿条件相同，说明 了反馈控制的引入不会改变前馈补偿条件。 而在单纯反馈控制下，系统对输入的传递函数 为： Y(S)／X(S)=G (S)G1(S)G2(S)／(1+G (S)G (S)G (S)H(S)) 结合式(2)可知，前馈一反馈控制系统不会因 为引入前馈控制而影响反馈控制的稳定性。 至于前馈一反馈控制系统的两种形式，其控制 性能相同，可根据实际情况采用较方便实现的一种 即可。 综上所述，前馈一反馈控制的特点如下： a)既发挥了前馈控制对特定校正及时的优点， 又保持了反馈控制能抑制闭合回路多个干扰的优势 和对被控变量始终给予实时检验的长处； b)系统只需对主要的可测不可控干扰采用前 馈补偿，大大简化了原来的纯前馈控制系统，不需要 对所有干扰进行一对一的设计； c)由于反馈校正的存在，可以保证被控变量的 无差调节，这就降低了对前馈控制精度的要求，为1 程上实现简单的前馈补偿创造了条件； d)系统中由于有了前馈补偿控制，比起纯反馈 控制来说，具有更高的控制精度，对主要干扰有更快 的抑制速度。 正由

1、前馈控制属于开环控制，反馈控制属于负反馈的闭环控制
 
 一般定值控制系统是按照测量值与给定值比较得到的偏差进行调节，属于闭环负反馈调节。其特点是在被控变量出现偏差后才进行调节；如果干扰已经发生而没有产生偏差，调节器不会进行工作。因此反馈控制方式的调节作用落后于干扰作用。
 前馈调节是按照干扰作用来进行调节的。前馈控制将干扰测量出来并直接引入调节装置，对于干扰的克服比反馈控制及时。
 
现在以换热器控制方案举例，直观阐述前馈控制和反馈控制：
 
 2、前馈控制系统中测量干扰量，反馈控制系统中测量被控变量
 
在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。
 
3、前馈控制需要专用调节器，反馈控制一般采用通用PID调节器
 
反馈调节符合PID调节规律,常用通用PID调节器、DCS等或PLC控制系统实现。前馈调节使用的调节器是是根据被控对象的特点来确定调节规律的前馈调节器。
 
4、前馈控制只能克服所测量的干扰，反馈控制则可克服所有干扰
 
前馈控制系统中若干扰量不可测量，前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中，任何干扰，只要它影响到被控变量，都能在一定程度上加以克服。
 
5、前馈控制理论上可以无差，反馈控制必定有差。
 
反馈调节使系统达到动态稳定，让被调参数稳定在给定值附近动态变化，却不能使被调参数稳定在给定值上不动。前馈调节在理论上可以实现无差调节。
 
6、前馈控制的局限性
 
A、在生产应用中各种环节的特性是随负荷变化的，对象动态特性形式多样性难以精确测量，容易造成过补偿或欠补偿。为了补偿前馈调节的不准确，通常将前馈和反馈控制系统结合起来组成前馈反馈控制系统。
 
B、工业对象存在多个扰动，若均设置前馈控制器，那设备投资高，工作量大。
 C、很多前馈补偿结果在现有技术条件下没有检测手段。
 
D、前馈控制受到前馈控制模型精度限制。
 
E、前馈控制算法，往往做近似处理。
 
前馈控制选用原则
 
1、系统中存在频率高、幅度大、可测量而不可控的扰动时，可选用前馈控制。
 2、当控制系统控制通道滞后时间长、反馈控制又不能获得良好效果时，可选用前馈控制。
 3、选用前馈控制要符合经济性原则。
 4、在决定前馈控制方案后，如静态前馈能满足工艺要求，则不选用动态前馈。
 
前馈-反馈控制系统优点
 
1、从前馈控制角度看，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对没有测量的干扰信号的扰动进行校正。
 2、从反馈控制角度看，前馈控制作用对主要干扰及时进行粗调，大大减少反馈控制的负担
 
前馈-反馈控制应用举例
 
现在以两种换热器控制方案举例，直观阐述前馈-反馈控制：
 
1、换热器前馈反馈控制控制方案1
 
 2、换热器前馈反馈控制控制方案2
 
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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：

前馈控制
 
前馈控制是在前苏联学者所倡导的不变性原理的基础上发展而成的。20世纪50年代以后，在工程上，前馈控制系统逐渐得到了广泛的应用。前馈控制系统是根据扰动或给定值的变化按补偿原理来工作的控制系统，其特点是当扰动产生后，被控变量还未变化以前，根据扰动作用的大小进行控制，以补偿扰动作用对被控变量的影响。前馈控制系统运用得当，可以使被控变量的扰动消灭在萌芽之中，使被控变量不会因扰动作用或给定值变化而产生偏差，它较之反馈控制能更加及时地进行控制，并且不受系统滞后的影响。
 
 
 
单纯的前馈控制是开环的，是按扰动进行补偿的，因此根据一种扰动设置的前馈控制就只能克服这一扰动对被控变量的影响，而对于其他扰动对被控变量的影响，由于这个前馈控制器无法感受到，也就无能为力了。所以在实际工业过程中单独使用前馈控制很难达到工艺要求，因此为了克服其他扰动对被控变量的影响，就必须将前馈控制和反馈控制结合起来，构成前馈反馈控制系统。前馈反馈控制系统有两种结构形式，一种是前馈控制作用与反馈控制作用相乘；另一种是前馈控制作用与反馈控制作用相加，这是前馈反馈控制系统中最典型的结构形式。
 
 
 

  采用前馈控制系统的条件是： 
 

  1、扰动可测但是不可控。 
 

  2、变化频繁且变化幅度大的扰动。 
 

  3、扰动对被控变量的影响显著，反馈控制难以及时克服，且过程控制精度要求又十分严格的情况。 
 
 
 
反馈控制
 
反馈控制是指在某一行动和任务完成之后，将实际结果进行比较，从而对下一步行动的进行产生影响，起到控制的作用。其特点是：对计划决策在实施过程中的每一步骤所引起的客观效果，能够及时做出反应，并据此调整、修改下一步的实施方案，使计划决策的实施与原计划本身在动态中达到协调。当然，反馈控制主要是对后果的反馈，而已铸成的事实是难以改变，且用新计划代替旧计划、用新决策代替原有决策有一个过程需要一定的时间，由于系统不能适应情况的变化，将会给工作带来不必要的损失。这就是反馈控制不及预先控制之处。
 
 
 

  反馈控制是指将系统的输出信息返送到输入端，与输入信息进行比较，并利用二者的偏差进行控制的过程。反馈控制其实是用过去的情况来指导现在和将来。在控制系统中，如果返回的信息的作用是抵消输入信息，称为负反馈，负反馈可以使系统趋于稳定；若其作用是增强输入信息，则称为正反馈，正反馈可以使信号得到加强。 
 
 
 
 
 

  在自动控制理论中，“反馈控制”是信号沿前向通道（或称前向通路）和反馈通道进行闭路传递，从而形成一个闭合回路的控制方法。反馈信号分“正反馈”和“负反馈”两种。为了和给定信号比较，必须把反馈信号转换成与给定信号具有相同量刚和相同量级的信号。控制器根据反馈信号和给定信号相比较后得到的偏差信zido号，经运算后输出控制作用去消除偏差，使被控量（系统的输出）等于给定值。闭环控制系统都是负反馈控制系统。 
 
 
 
 
 

  反馈控制具有许多优点，由于它是按偏差进行控制，具有能抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制精度。 
 
 
 

  反馈控制的主要缺点是时滞问题，即从发现偏差到采取更正措施之间可能有时间延迟现象，在进行更正的时候，实际情况可能已经有了很大的变化，而且往往是损失已经造成了。 
 
 
 
评价
 
前馈控制需要模型。当需要得到一个输出的时候，输入信号可以被事先推算出来，这样给了输入信号之后，输出信号就是想要的值。最简单的前馈控制其实就是电阻模型。假设电阻R，现在想要电流是I，所以要给R*I的电压。不过，前馈有个问题，就是模型精确度不可能完全准确。这个电阻R的值是不确定的，可能实际值会差那么一些，导致电流和预想不一样。

反馈控制可以不需要模型，但是有模型更好。反馈控制不需要事先知道输入信号。它只检测输出信号。当输出信号低于预期值时，反馈系统会改变输入量，使得输出量增加。对于同样的电阻模型，反馈系统可以检测电阻电流，当电流小于I时，输入电压就会一直增加。直到电流等于I为止。反之，当电流大于I时，输入电压减小，直到电流等于I。

前馈特点：速度快，不需要检测输出量，需要系统模型，模型不精确的时候结果也不精确。
反馈特点：检测输出量并且和预想值进行对比，可以不需要系统模型，速度比前馈慢。结果完完全全是预想值。

所以一个系统如果要精确控制，那么一定需要反馈。如果要超快的系统响应，那就需要前馈。二者可以一起用。
 
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