前馈控制技术及其应用仿真研究

1、前馈控制技术及其应用仿真研究*王迪王秋平*(1.东北电力大学自动化工程学院自动化专业12届毕业生，吉林，吉林132012；2.东北电力大学自动化工程学院，吉林，吉林132012)摘要：本文依据前馈控制技术的基本原理，为满足空调系统中对负荷变化及时调整流量的控制要求，利用Matlab/Simulink仿真平台，对其进行前馈仿真设计，并与常规PID控制进行比较，同时分析各类前馈控制的特点。最后得到满足要求并具有实际应用性的的控制方案，即静态前馈控制。关键词：前馈控制，Simulink，空调房间引言当今日益流行的智能建筑中空调更是不可缺少的设备，而众所周知空调是能源消耗大户，在能源利用中担任重要角色

2、，降低空调系统的能耗可以大大提高能源的利用率，其中自控系统的配置是运行节能实现的重要因素。冷热负荷是空调系统最基础的数据，中央空调系统的负荷是不断变化的，而设计者是按最大负荷选择系统的，这会造成能量的浪费，利用变流量调节可以提高中央空调系统能量的利用，如何使流量根据负荷变化快速响应是本文研究的重点，近年来发展较快的先进的控制技术是前馈控制。前馈控制通过预测未来的负荷值，计算出后一段时间的送风、水流量(前馈信号)，结合当前信息完成控制。前馈控制原理对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，称作前馈控制，在理论上，它可以完全消除扰动引起的偏差。在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就

3、直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了补偿，如果补偿作用恰到好处，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。前馈控制的设计依据是不变性原理。“不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控量的这种影响。前馈控制系统原理图如图1所示。Y二X-GGG+M(GG+G)G(1-1)123d2f3由式(1-1)可见，不论原系统如何，只要能够测得干扰

4、M及干扰通道G(s)就可构造出G(s)使下式成立：dGG二一一f(1-2)dG2Gd(s)-可测干扰M1Gf(s)XG1(s)-_G2(s)LG3Y图1前馈控制原理图按结构，前馈控制系统可分为静态前馈控制系统，动态前馈控制系统，前馈-反馈复合控制系统，前馈-串级控制系统。控制对象的介绍及仿真本文选择空调系统中空调房间部分作为被控对象，空调房间的自动控制主要是室温控制，它是空气控制系统的一个重要环节，要用到设置在室内的测温传感器测定室内空气温度信号，并将此信号传递给温度调节器进行运算放大，发出控制指令信号，以控制相应的执行控制机构，使送风温度或送风温度随偏差量的大小而发生变化，以满足空调房间温度

5、控制的要求。根据相关资料，在假设没有相关滞后环节后得出空调房间的温度传递函数为1.19G(s)=，选择空调房间的负荷变化作为干扰，分别加入静态前馈，动态前馈，前(5s+2)s馈-串级控制控制技术。在这里前馈并不是单独使用的，由于开环控制很难知道补偿的效果，往往加入反馈控制与之相结合。图2加入静态前馈的模型结构框图图4加入前馈-串级的模型结构框图图45仿真结果图随着仿真时间的加长，我们发现动态前馈控制优于静态前馈控制，同时，对于此控制对象而言，前馈-串级控制与动态前馈控制系统的仿真曲线完全一致且与不受干扰时的曲线几乎完全一致。其实，当扰动通道和控制通道的时间常数接近的时候，引入前馈控制可以显著提

6、高控制性能，由于控制效果明显，通常采用静态前馈就能满足要求了。动态前馈比静态前馈复杂，参数的整定也比较麻烦。因此，在静态前馈能够满足工艺要求的时候，尽量不采用动态前馈。实际工程中，通常控制通道和扰动通道的惯性时间和纯滞后时间接近，往往采用静态前馈就能获得良好的控制效果。而对于文中的空调房间控制对象，相比航空航天的技术领域，要求的性能指标没有必要特别高，所以采用静态前馈控制即可。而动态前馈控制前馈-串级控制只是在理论上由于静态前馈控制。究其原因，其实动态前馈控制的前馈算式输出的不仅是扰动量的函数，而且是时间的函数，所以相比静态前馈控制更完善，而前馈-串级控制更是能因为自身的复杂结构达到完全补偿的

7、效果为了进一步研究前馈控制与PID控制的优劣，本文建立了加入PID控制器的模型，通过试凑法进行了PID控制器的参数整定。图5加入PID控制器的模型结构图图6PID控制仿真结果图经观察得：前馈控制优于PID控制，前馈控制的上升时间和调节时间比PID控制短，且在动态过程的振荡次数少于PID控制，最重要的是我们发现，随着时间的延长，PID的波动还是比较明显的，而前馈控制几乎没有波动。根据控制系统的动态指标，结合自动控制原理的快速性，准确性，稳定性的要求。我们可以得出结论：前馈控制能达到优化控制的目的和传统的PID控制模式相比具有一定的优越性。结论前馈控制作为产生比较早，但由于设备技术的限制而发展比较

8、缓慢的控制技术，在近几年，随着科学的技术的进步，人们原来越重视它的发展，同时因为其能及时补偿因干扰引起的的变化的优点，在越来越多的实际应用中，前馈控制技术的作用都得到了充分的发挥。这在很大程度上，提高了我国自动化应用程度。本文研究了前馈控制技术的基本原理及特点，深入分析了前馈控制的几种重要分类。从前馈控制技术的基本原理出发，针对空调系统中对负荷变化及时调整流量的控制要求，利用Matlab/Simulink仿真平台，根据给定的空调房间负荷传递函数及器件参数，对其进行前馈仿真设计，并与常规PID控制进行比较，同时分析各类前馈控制的特点。通过仿真计算得出结论有以下几点：在以空调系统为控制对象中，前馈

9、控制技术对干扰的改善性能优于常规PID控制的调节。在该控制对象中，动态前馈与前馈-串级的控制性能几乎完全一致，然而，通过分析，前馈-串级控制技术优于前者。在该实际用当中，由于条件的限制，同时针对应用过程中没有必要特别“精细”的特点，因为动态前馈及前馈-串级的技术要求远远高于静态前馈，所以最终采用静态前馈控制。FeedforwardcontroltechnologyanditsapplicationsimulationresearchWangdi,wangqiuping(1.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin

10、,China,132012；2.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin,China,132012)Abstract:ThisarticlestartsfromthebasicprinciplesofFeedforwardcontroltechnology,aimesattheairconditioningsystemduetochangesintheloadneedstimelyadjustmentofflowcontrolinairconditioningroom.UsingMatlab/Simulinksimulationplatform,accordingtothegivenair-conditionedroomtransferfunctionanddeviceparameters,designsthefeedforwardcontrolsimulation,andcompareswiththeconventionalPIDcontrol,andanalysi