基于MATLAB 的前饋控制系統仿真與應用

張松蘭

（蕪湖職業技術學院，安徽 蕪湖241006）

工業生產過程中隨著生產的進行，在被控過程中常出現大量的干擾，而生產工藝的技術和要求越來越高，對于生產中的干擾如果采用常規的反饋控制，控制通道又太長此時系統會出現超調很難獲得較好的控制質量，由此提出了前饋控制的思想。單純的前饋控制是一種根據干擾量進行控制的開環控制，會提高控制速度。反饋控制是根據偏差進行控制，只有等到干擾影響到輸出量后且檢測裝置反饋到控制通道之后，經過一段時間后才能作用到被控過程，控制器采用合適的控制規律會提高控制精度但快速性會降低，在實際的工業過程中一般將前饋與反饋控制相結合，對不同的干擾采取不同的控制方案，可以同時發揮反饋控制和前饋控制的優點[1-3]。本文圍繞過程控制中的前饋控制、反饋控制及串級控制展開仿真研究。

1 前饋控制的基本原理

圖1 是前饋控制系統的框圖，系統為一開環控制系統，系統的輸出量與輸入量相對應，在干擾作用下，輸出量會偏離給定輸入對應的輸出量，加入前饋控制器可在干擾影響輸出量的同時進行控制，因此可以克服此干擾量的影響。前饋控制器有靜態前饋補償和動態前饋補償兩種方式，靜態前饋主要對輸出量的靜態偏差進行調節，不能消除控制過程中的動態偏差。

圖1 前饋控制系統框圖

圖2 靜態前饋控制系統輸出

為比較靜態前饋與動態前饋的區別，在同樣的干擾作用下，前饋控制器采取動態前饋補償，系統的響應曲線如圖3 所示，圖中系統無隨機干擾響應曲線是一光滑曲線，動態前饋補償響應曲線與開環系統無干擾作用下的響應曲線很接近，系統受干擾影響后在動態前饋控制作用下，響應曲線在理論響應曲線上極小范圍內波動，動態補償效果很好，而靜態前饋補償在穩態起作用，在動態過程中有偏差效果不太好，要提高動態過程的響應精度需要采取動態補償。

圖3 動態前饋與靜態前饋控制的比較

2 前饋-反饋控制系統

由于前饋控制器只能針對某一種干擾設計前饋控制器，而對其他干擾無能為力，實際生產過程中的干擾源很多，在設計中不可能對每一種干擾都設計一個前饋控制器，故一般采用前饋加反饋的控制方式，對主要的頻繁的干擾采用前饋控制，其他的干擾使用反饋控制，這樣結合了兩種控制方式的優點可提高系統的控制質量，前饋-反饋控制系統框圖如圖4 所示。

圖4 前饋反饋控制系統框圖

在圖3 的仿真中系統輸出量與給定輸入量相對應，沒有實現跟蹤給定值，如果系統控制精度較高，要實現定值控制，則需要在開環系統的基礎上加入反饋構成閉環控制系統，對干擾源采用前饋控制組成復合控制系統。仍以前面的開環系統結構為例，反饋控制器采用PI 控制，參數Kp=0.5，Ki=0.2 分別得到靜態前饋加反饋和動態前饋加反饋系統的響應曲線如圖5 所示。動態前饋可在系統的動態過程中起調節作用，系統的超調量較小，響應時間也快，靜態前饋受干擾影響較大，但補償了系統的穩態誤差。對比無反饋的前饋控制系統，加入反饋后系統可實現對給定值的跟蹤，完成精確控制。

圖5 前饋-反饋控制響應曲線

3 前饋串級控制系統

實際工業生產過程中有些過程比較復雜或是滯后比較大要引入串級控制，如石油工業中的管式加熱爐[5]要把原油加熱到一定的溫度，工藝要求油料出口溫度波動較小。原料油和燃料油流量波動是主要的干擾因素，在設計控制系統時，將燃料油流量的波動通過燃料進料閥進行調節作為內環，原油出口溫度作為系統輸出量，構成串級控制系統，對原油流量的波動采用前饋控制，前饋串級控制系統框圖如圖6 所示[6]。

圖6 前饋串級控制系統框圖

為便于比較此處的傳遞函數仍用前面的系統結構傳遞函數，主控制器[7-8]采用PID 控制，參數為Kp=0.8，Ki=0.3，Kd=2，副控制器采用P 控制，比例系數為Kp=1，干擾源取幅值為5 的隨機干擾，得到系統的單位階躍響應曲線如圖7 所示。與前饋反饋相比較，串級控制顯著提高了系統的動態性能，快速性較好。

圖7 前饋-反饋控制響應曲線

對前饋串級控制系統中加熱爐對象的通道延遲時間作±20%的變動，主副控制器參數保持不變，系統的輸出響應如圖8所示，圖中可看出動態過程變化響應曲線不明顯，系統輸出量在給定值的小范圍內波動，在參數變化時主副控制器的參數適應能力較強。

圖8 系統結構參數變化時的響應曲線圖

結束語

本文主要討論了前饋控制的基本思想，分析了前饋控制與反饋控制的特點，比較了動態前饋控制和靜態前饋控制的不同，并將前饋控制與反饋控制及串級控制相結合組成復合控制系統做了仿真研究，對前饋控制做了橫向和縱向的仿真實踐，增強初學者前饋控制的理解和感性認識。