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组合机床与自动化加工技术ModularMachineToolAutomaticManufacturingTechnique文章编号1001-2265201206-0064-03过程控制系统的前馈反馈复合控制器设计李兴春李兴高2•(
1.五邑大学信息工程学院,广东江门529020;
2.北京交通大学土建学院,北京100044)摘要随着对过程控制系统性能要求的不断提高,传统反馈控制策略难以适应不同工况下被控对象动态特性的改变提出了前馈■反馈复合控制策略,研究了前馈控制器在物理上不可实现情况下的设计方法,给出了具体操作步骤在过程控制系统中应用的仿真结果表明前馈•反馈复合控制能够将可测扰动在影响系统输出前得以补偿;系统的动态性能和稳定性能均优于传统反馈控制解决了扰动通道时滞小于主控通道时,前馈控制器在物理上不可实现的技术难题,对过程控制系统有一定理论意义和工程参考价值关键词过程控制;时滞;前馈控制;复合控制器;IMC控制Feedforward-feedbackCompositeControllerDesignofProcessControlSystemsLIXing-chun1LIXing-gao
21.CollegeofInformationandEngineeringWUYIUNIVERSITYJiangmenGuangdong529020China;
2.SchoolofCivilandArchitecturalEngineeringBeijingJiaotongUniversityBeijing100044ChinaAbstract:Alongwiththeprocesscontrolsystemperformancerequirementsoftheconstantimprovementthetraditionalfeedbackcontrolstrategyisdifficulttoadapttothedifferentconditionsofthecontrolledobjectdynamiccharacteristics.Thefeedforward-feedbackhybridcontrolstrategyisproposedtThedesignmethodandthespecificoperationstepsaregiventodesignthefeedforwardcontrollerwhichdoesnotrealizeinphysics.Thesimulationinaprocesscontrolsystemresultsshowthat Feedforward-feedbackcompoundcontroltomeasurabledisturbanceineffectbeforethesystemoutputtocompensation;Thedynamicfunctionandthestableperformancearebetterthantraditionalfeedbackcontrol.Thefeed-forwardcontrollerinphysicsnotrealizedtechnologyproblemissolvedhavingacertaintheoreticalmeaningandreferencevalueforengineering.Keywords:processcontrol;time-delay;feedforwardcontrol;compositecontroller;IMC-control0引言理想的过程控制系统要求被控参数在过程特性呈现大滞后(包括容量滞后和纯滞后)和多干扰的情况下,必须持续保持在工艺所要求的数值上但是传统的反馈控制不能实现这种目标这是因为,反馈控制器只有在输入被控参数与给定值之差产生后才能发出控制指令即系统在控制过程中必然存在偏差,因而不可能得到理想的控制效果前馈控制又称干扰补偿控制,早在1925年应用于气泡水位调节中⑴它与反馈控制不同,它是依据引起被控参数变化的干扰大小进行调节的在这种控制策略的系统中,当干扰刚刚出现而又能测出时,前馈控制器便发出调节信号使调节参数作相应的变化,使调节作用与千扰作用及时抵消于被控参数产生偏差之前因此,前馈控制对可测干扰的克服要比反馈控制快然而,如果过程控制系统中存在强干扰,特别是低频干扰,或者系统的稳态精度和响应速度要求很高时,通常是将前馈控制与反馈控制相结合,组成前馈■反馈复合控制系统该复合控制系统一方面利用前馈控制及时有效地减少干扰对被控参数的动态影响;另一方面则利用反馈控制使被控参数稳定在设定值上,从而保证系统有较高的控制质量在工程实践中,由于前馈控制器在物理上有时很难实现,导致前馈-反馈复合控制器设计成为一个技术难题教材中也是一提而过,没有做深入探讨文献[2]提出了串级-Smith预估控制,其实为双回路反馈控制;文献[3-7]提出了超前-滞后前馈P」-P*P广°故可得:42复合控制器设计
2.1反馈控制器Pm的设计反馈控制器P/d采用文献[9]中的IMC控制设计控制其模型,但没考虑反馈回路的影响;文献[8-12]在进行前馈控制器设计时考虑到反馈回路的影响但对于扰动通道时滞小于主控通道时,即控制器在物理上不可实现的情况下没能给出控制器整定规则,因此,有必要开展该类控制策略的研究1问题描述复合控制系统的结构框图如图1所示图3IMC复合控制系统结构框图其中,户网为被控对象的估计模型在这里我们假期被控对象与估计模型完全匹配,即PM=Po在设计内模控制器时,先将被控系统的传递函Ps=P**p-其中为反馈控制器传递函数;P为被控对象的传递函数;P疗为前馈控制器传递函数;为干扰通道传递函数为了便于分析,将图1进行等效变换为图2从补偿原理来看,前馈控制实际上是采用开环控制方式去补偿可测量的扰动信号,故前馈控制并不改变反馈控制系统的特性从抑制扰动的角度来看,前馈控制可以减轻反馈控制的负担,所以反馈控制系统的增益可以取得小一些,以利于系统的稳定性式中,p-为可逆因式;P*包含了所有的纯滞后和在s右半平面存在的零点环节,且其静态增益为1令P.=t*Ts/P6式中,rs是静态增益为1的低通滤波器,其结构为Ts=7式中,“滤波器参数为所希望的闭环时间常数,根据经验公式7}一般可取为开环系统时间常数的一半;勺滤波器的阶数为一正整数,通过选择勺的大小,可使的分母阶次大于或等于分子的阶次,从而保证复合控制系统的等效结构框E既稳定又可物理实现丁为调整参数,根据反馈控制的基本原理要使系统能够正常工作,构成系统开环传递函数静态增益的乘积必须为正来确定7=
2.2前馈控制器七设计由图2可知扰动对系统的输出的影响由下式描由式4可以看到,当干扰通道时滞时间常数小于主控通道时滞时间常数时,前馈控制器P在物理上是不可以实现的由式1可得可测扰动对系统输出净影响不考虑扰动对反馈通道的影响即心dc=l*Pd*d8[Pd-p*p〃*d].1+P/D.为方便设计将七分解为PffST和七s,n两P”s丁d,K=*S‘/Td*S+1Kq=19«0其中,几为Pd的极点与1-的零点相抵消的数目;选择滤波器时间常数n,选择的原则同IMC控制器;求解P〃s,n,K分子多项式系数,对于!使其满足公式101-P*P#5T♦PffS.TdKt*P;‘pi=0f■i=12•••a10其中P为P.的第i个极点的时间常数根据系统的输出响应情况,调整滤波器时间常数C,直至满足要求为止3仿真分析在过程控制中,许多高阶系统都可以用一阶惯性+纯滞后环节进行近似,以简化分析与综合过程为检验本复合控制器设计方法的有效性,以一阶惯性+纯滞后环节为例各过程的传递函数如下所zKo・由上述复合控制器设计方法可得:4*S+ljPff4*5+1♦
0.006*s+l图4为可测扰动对系统输出的净影响见系统输出时间响应曲线出现了长尾巴效应,这一现象由延时环节所致o4可洌扰动对系统输出的净影响通if图5可见,前馈控制器设计时应考虑反馈回路的影响,同时反馈回路会弱化控制作用和增加响应曲线的上升时间图6为无前馈控制器时,系统的阶跃响应情况若不能将可测扰动及时地消除,将会导致系统输出响应出现高超调量、长调整时间以及大稳态误差的情况图6典型IMC控制下的系统响应采用前馈■反馈复合控制策略时,系统的阶跃响应情况如图
7、图8和图9所示由图可见,复合控制系统在动态性能和稳态精度都优于无前馈控制器时的系统表1给出了具体动态性能指标图7系统的阶跃响应图8系统的阶跃扰动响应.下转第70页态特性,适应性强而将模糊控制与常规PID控制相结合能够有效提高控制器对时变性、非线性系统的控制能力,是一种获得数控机床伺服系统良好控制效果的有效方法[参考文献]胡占齐,杨莉.机床数控技术[M].北京机械工业出版社
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2001.(编辑赵蓉)(上接第66页)表1复合控制与IMC控制性能比较4结束语理想的过程控制系统要求被控参数在过程特性呈现大滞后(包括容量滞后和纯滞后)和多干扰的情况下,必须持续保持在工艺所要求的数值上但是传统的反馈控制不能实现这种目标提出了前馈•反实现情况下的设计方法,给出了具体操作步骤在过程控制系统中应用的仿真结果表明前馈控制器设计应考虑反馈回来的影响;前馈•反馈复合控制能够将可测扰动在影响系统输出前得以补偿;由仿真结果和表1可知系统的动态性能和稳定性能均优于传统反馈控制解决了扰动通道时滞小于主控通道时,前馈控制器在物理上不可实现的技术难题,对过程控制系统有一定理论意义和工程参考价值[参考文献]
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1635.(编辑赵蓉)控制策略IMC控制前馈-反馈复合控制响应类型阶跃响应阶跃扰动响应双输入响应阶跃响应阶跃扰动响应双输入响应超调a%031412701190上升时间与
3.
782.
962.
833.
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2.52调节时间t
5.
1319.
619.
95.
134.
475.2。