基于MATLAB 的前馈控制系统仿真与应用

张松兰

（芜湖职业技术学院，安徽 芜湖241006）

工业生产过程中随着生产的进行，在被控过程中常出现大量的干扰，而生产工艺的技术和要求越来越高，对于生产中的干扰如果采用常规的反馈控制，控制通道又太长此时系统会出现超调很难获得较好的控制质量，由此提出了前馈控制的思想。单纯的前馈控制是一种根据干扰量进行控制的开环控制，会提高控制速度。反馈控制是根据偏差进行控制，只有等到干扰影响到输出量后且检测装置反馈到控制通道之后，经过一段时间后才能作用到被控过程，控制器采用合适的控制规律会提高控制精度但快速性会降低，在实际的工业过程中一般将前馈与反馈控制相结合，对不同的干扰采取不同的控制方案，可以同时发挥反馈控制和前馈控制的优点[1-3]。本文围绕过程控制中的前馈控制、反馈控制及串级控制展开仿真研究。

1 前馈控制的基本原理

图1 是前馈控制系统的框图，系统为一开环控制系统，系统的输出量与输入量相对应，在干扰作用下，输出量会偏离给定输入对应的输出量，加入前馈控制器可在干扰影响输出量的同时进行控制，因此可以克服此干扰量的影响。前馈控制器有静态前馈补偿和动态前馈补偿两种方式，静态前馈主要对输出量的静态偏差进行调节，不能消除控制过程中的动态偏差。

图1 前馈控制系统框图

图2 静态前馈控制系统输出

为比较静态前馈与动态前馈的区别，在同样的干扰作用下，前馈控制器采取动态前馈补偿，系统的响应曲线如图3 所示，图中系统无随机干扰响应曲线是一光滑曲线，动态前馈补偿响应曲线与开环系统无干扰作用下的响应曲线很接近，系统受干扰影响后在动态前馈控制作用下，响应曲线在理论响应曲线上极小范围内波动，动态补偿效果很好，而静态前馈补偿在稳态起作用，在动态过程中有偏差效果不太好，要提高动态过程的响应精度需要采取动态补偿。

图3 动态前馈与静态前馈控制的比较

2 前馈-反馈控制系统

由于前馈控制器只能针对某一种干扰设计前馈控制器，而对其他干扰无能为力，实际生产过程中的干扰源很多，在设计中不可能对每一种干扰都设计一个前馈控制器，故一般采用前馈加反馈的控制方式，对主要的频繁的干扰采用前馈控制，其他的干扰使用反馈控制，这样结合了两种控制方式的优点可提高系统的控制质量，前馈-反馈控制系统框图如图4 所示。

图4 前馈反馈控制系统框图

在图3 的仿真中系统输出量与给定输入量相对应，没有实现跟踪给定值，如果系统控制精度较高，要实现定值控制，则需要在开环系统的基础上加入反馈构成闭环控制系统，对干扰源采用前馈控制组成复合控制系统。仍以前面的开环系统结构为例，反馈控制器采用PI 控制，参数Kp=0.5，Ki=0.2 分别得到静态前馈加反馈和动态前馈加反馈系统的响应曲线如图5 所示。动态前馈可在系统的动态过程中起调节作用，系统的超调量较小，响应时间也快，静态前馈受干扰影响较大，但补偿了系统的稳态误差。对比无反馈的前馈控制系统，加入反馈后系统可实现对给定值的跟踪，完成精确控制。

图5 前馈-反馈控制响应曲线

3 前馈串级控制系统

实际工业生产过程中有些过程比较复杂或是滞后比较大要引入串级控制，如石油工业中的管式加热炉[5]要把原油加热到一定的温度，工艺要求油料出口温度波动较小。原料油和燃料油流量波动是主要的干扰因素，在设计控制系统时，将燃料油流量的波动通过燃料进料阀进行调节作为内环，原油出口温度作为系统输出量，构成串级控制系统，对原油流量的波动采用前馈控制，前馈串级控制系统框图如图6 所示[6]。

图6 前馈串级控制系统框图

为便于比较此处的传递函数仍用前面的系统结构传递函数，主控制器[7-8]采用PID 控制，参数为Kp=0.8，Ki=0.3，Kd=2，副控制器采用P 控制，比例系数为Kp=1，干扰源取幅值为5 的随机干扰，得到系统的单位阶跃响应曲线如图7 所示。与前馈反馈相比较，串级控制显著提高了系统的动态性能，快速性较好。

图7 前馈-反馈控制响应曲线

对前馈串级控制系统中加热炉对象的通道延迟时间作±20%的变动，主副控制器参数保持不变，系统的输出响应如图8所示，图中可看出动态过程变化响应曲线不明显，系统输出量在给定值的小范围内波动，在参数变化时主副控制器的参数适应能力较强。

图8 系统结构参数变化时的响应曲线图

结束语

本文主要讨论了前馈控制的基本思想，分析了前馈控制与反馈控制的特点，比较了动态前馈控制和静态前馈控制的不同，并将前馈控制与反馈控制及串级控制相结合组成复合控制系统做了仿真研究，对前馈控制做了横向和纵向的仿真实践，增强初学者前馈控制的理解和感性认识。