實(shí)驗(yàn)7 前饋控制系統(tǒng)

1、過程控制工程實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)七 前饋-反饋控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^構(gòu)建前饋-反饋控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行操作和運(yùn)行，進(jìn)一步理解前饋-反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理；并通過體會(huì)前饋-反饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)、調(diào)試及整定過程，加深對(duì)該系統(tǒng)的理解和認(rèn)識(shí)被控對(duì)象：串聯(lián)的雙容水箱作為一個(gè)對(duì)象；被控參數(shù)：下水箱水位H3；控制參數(shù)：進(jìn)入中水箱的流量Q2；主要外部干擾：流量Q1，由變頻器（U101）驅(qū)動(dòng)水泵P1改變控制要求：保證水位H3具有較高的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度；當(dāng)外部干擾發(fā)生時(shí)通過對(duì)干擾的測(cè)量和補(bǔ)償，更及時(shí)地克服干擾的影響 ，保證被控參數(shù)的穩(wěn)定，克服干擾的時(shí)間也顯著地優(yōu)于單純反饋時(shí)的情況 前饋控制系統(tǒng)前饋控制

2、系統(tǒng)是一種依據(jù)“系統(tǒng)不變性”原理，按照擾動(dòng)“進(jìn)行調(diào)節(jié)” 的開環(huán)控制系統(tǒng)既然是開環(huán)，該擾動(dòng)量必須是可測(cè)而不可控的。所以，該控制系統(tǒng)的作用不能抑制擾動(dòng)量，只能采用特定的方法補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)造成的影響顯然，根據(jù)擾動(dòng)提前進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃枷胧窍冗M(jìn)的，應(yīng)該說比被調(diào)參數(shù)受到擾動(dòng)、造成偏差后才進(jìn)行調(diào)節(jié)要更及時(shí)、有效；特別是當(dāng)控制通道時(shí)間常數(shù)較大、滯后較大時(shí)如果補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以產(chǎn)生很好的效果，但現(xiàn)場(chǎng)不是所有的干擾都可測(cè)，并且都可以設(shè)計(jì)出合適的補(bǔ)償環(huán)節(jié)前饋控制器是需要由用戶根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制器 前饋-反饋控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)內(nèi)外存在多種不可測(cè)的擾動(dòng)，前饋模型本身的精度也有限，如果僅靠前饋難以做到完全

3、補(bǔ)償，很難應(yīng)付各種復(fù)雜的情況。所以實(shí)用中，通常都是組成前饋反饋復(fù)合型的控制系統(tǒng)，由前饋系統(tǒng)處理可以檢測(cè)的、變化頻繁、對(duì)系統(tǒng)影響較大的擾動(dòng)，而其他的各種因素（包括前饋不能完全補(bǔ)償?shù)牟糠郑┧鸨豢貐?shù)的變化則由反饋系統(tǒng)來克服前饋補(bǔ)償方案（補(bǔ)償模型）可分為靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，如果主要為克服擾動(dòng)帶來的靜態(tài)誤差，僅采用靜態(tài)補(bǔ)償就可以了，而對(duì)于那些既要保證靜態(tài)精度，又要盡量減小動(dòng)態(tài)誤差的場(chǎng)合，才引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)模型GPD(s)為干擾通道傳遞函數(shù)，GPC(s)為調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)形式為：干擾通道的傳遞函數(shù)與調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)之比實(shí)際中的各控制系統(tǒng)擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通

4、道傳遞函數(shù)各不相同，它們的傳遞函數(shù)形式也會(huì)多種多樣；特別有可能是高階的、非線性的或帶有純滯后項(xiàng)的但若模型形式過于復(fù)雜，會(huì)造成表達(dá)、求解等一系列困難，所以若純滯后時(shí)間與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相比很小，且對(duì)象具有自衡能力，通常僅采用一階慣性環(huán)節(jié)的形式處理)()()(sGsGsGPCPDff 前饋-反饋控制系統(tǒng)所以前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)一般都近似表達(dá)為：式中：kff=kf /kc 是干擾通道與控制通道的放大倍數(shù)之比，叫做靜態(tài)前饋的補(bǔ)償系數(shù)kf 、T2是干擾通道的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)， kc 、T1是調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)在僅考慮靜態(tài)補(bǔ)償時(shí)，只需獲得kff 即可121( )1ffffTsGskT s 實(shí)驗(yàn)

5、方案構(gòu)建一個(gè)以下水箱液位H3為被控參數(shù)的單回路反饋系統(tǒng)，流量Q1為主要干擾量，根據(jù)Q1、Q2分別對(duì)液位H3形成干擾通道和調(diào)節(jié)通道的關(guān)系，構(gòu)成前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，結(jié)合反饋系統(tǒng)，形成前饋-反饋控制系統(tǒng)為了建立前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)模型，首先要確定控制通道和干擾通道各自對(duì)液位的一階模型參數(shù)放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)將反饋系統(tǒng)投入自動(dòng)，放置調(diào)好的PID參數(shù)，保證其滿足反饋系統(tǒng)的性能要求分別設(shè)置前饋補(bǔ)償系數(shù)kff 、T1和T2，逐步投運(yùn)前饋的靜、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，然后檢驗(yàn)是否達(dá)到希望的系統(tǒng)要求 實(shí)驗(yàn)方案紅色線條標(biāo)識(shí)的管道為流量1（擾動(dòng)量），藍(lán)色線條標(biāo)識(shí)的管道為流量2（調(diào)節(jié)量） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連線，注意其連線的意義。本實(shí)驗(yàn)中，

6、控制流量進(jìn)中水箱，干擾量直接進(jìn)下水箱，干擾通道與調(diào)節(jié)通道不相同。依次打開變頻器電源、電磁閥1、變頻器啟動(dòng)開關(guān)和水泵2開關(guān)，啟動(dòng)變頻泵P101、水泵2，等待液位穩(wěn)定；在系統(tǒng)穩(wěn)定后，測(cè)試干擾通道的傳遞函數(shù)，施加一增一減的兩個(gè)階躍干擾，獲得響應(yīng)曲線，并求解出kff 、T1，調(diào)節(jié)通道的參數(shù)kc、T2在以前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)獲得；將反饋控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，完成無擾動(dòng)切換，放置上整定好的單回路控制器參數(shù)，調(diào)整設(shè)定值，使其工作在比較合適的高度；放入前饋參數(shù)，運(yùn)行前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，按照先靜態(tài)、后動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞剑^察補(bǔ)償效果，若有需要，可適當(dāng)調(diào)整前饋補(bǔ)償系數(shù)；觀察系統(tǒng)是否滿足希望的控制質(zhì)量指標(biāo)（克服干擾更快、穩(wěn)定性更好)。

7、實(shí)驗(yàn)連線LT103下水箱液位FT101流量1變頻器 前饋-反饋控制器加法輸出加法輸出：AO0 = MV1+前饋MV-偏移量式中：前饋MV= - kff * (T1s+1)/(T2s+1)* Q1 kff = kf / kc , T1為反饋控制通道時(shí)間常數(shù)， T2為干擾通道時(shí)間常數(shù)本實(shí)驗(yàn)中，擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通道不完全相同，不但放大倍數(shù)不同，時(shí)間常數(shù)也不相同。在僅需要進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償時(shí)，只需使用kff 參數(shù)即可Gff 及ADDADDAO0 偏移量 -1#PID-MV1前饋MV 前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作界面 系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備與啟動(dòng)連線：1#控制器為反饋控制器，連下液位測(cè)量輸入，但其輸出不直接連到控制閥，而是

8、送入軟件。2#控制器保持手動(dòng)，其輸出MV2連到變頻器U101。改變MV2即可改變干擾流量Q1，將Q1送入軟件。軟件中增加一個(gè)前饋補(bǔ)償操作器，負(fù)責(zé)前饋操作、參數(shù)設(shè)置和修改及補(bǔ)償運(yùn)算，偏移量的設(shè)置也在這里完成。前饋-反饋控制器的輸出經(jīng)AO0端口送至調(diào)節(jié)閥；界面：操作界面上標(biāo)有加法器，前饋補(bǔ)償輸出信號(hào)及偏置信號(hào)一起送到加法器，與反饋控制信號(hào)疊加后送AO0端口輸出至控制閥。前饋實(shí)驗(yàn)界面上有“進(jìn)入前饋/退出前饋”按鈕，可以選擇是執(zhí)行前饋-反饋控制，還是單純反饋方案； 系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備與啟動(dòng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件：首先點(diǎn)擊“單純反饋”按鈕，確保系統(tǒng)的反饋控制狀態(tài)有效。先置兩控制器皆手動(dòng)，手動(dòng)操作MV1，使控制閥開度50

9、%左右，啟動(dòng)水泵2，向中水箱注水；稍后，啟動(dòng)變頻器（接通變頻器電源，打開1#電磁閥，開通變頻器啟動(dòng)開關(guān)），操縱控制器MV2（變頻器），向下水箱供水。（如果變頻泵不出水，則將MV2設(shè)置為100，使變頻泵先出水，再適當(dāng)減小MV2，使擾動(dòng)輸入不要太大）。因下水箱的進(jìn)水量較大，要適度調(diào)整下水箱出口閘板，以盡量確保兩個(gè)液位均在水箱的中部，待液位達(dá)到穩(wěn)定。 前饋模型獲取與測(cè)試 要獲得前饋補(bǔ)償模型Gff (s)，先要獲得干擾通道與調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)模型及參數(shù)，可分別對(duì)調(diào)節(jié)通道和擾動(dòng)通道施加階躍測(cè)試獲得。 采用階躍法測(cè)取干擾通道傳遞函數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)：改變變頻器的輸出10%，記錄對(duì)應(yīng)的液位H3變化曲線。Kf

10、 =H3/MV2，T1=0.632*H3所對(duì)應(yīng)的時(shí)間； 采用階躍法測(cè)取調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)：改變控制器輸出10%，記錄對(duì)應(yīng)的液位H3變化過程。Kc=H3/MV1；T2為H3與過曲線拐點(diǎn)的切線相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間段TBCT2（如下圖，忽略純滯后時(shí)間）； 提示：調(diào)節(jié)通道的參數(shù)在前面的實(shí)驗(yàn)中已獲取，可直接帶入（實(shí)驗(yàn)二“對(duì)象特性測(cè)試”求得的）將計(jì)算得出的參數(shù)Kff =Kf /Kc （可預(yù)設(shè)（可預(yù)設(shè)Kff=0.3） ，放入前饋補(bǔ)償操作器相應(yīng)的輸入框中，點(diǎn)擊“確定”。而T1、T2先分別設(shè)置為相等的數(shù)值，默認(rèn)取100。 運(yùn)行反饋系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，將單回路反饋控制器的P、I參數(shù)放置好（實(shí)驗(yàn)三“單回路

11、控制系統(tǒng)”所獲得的PI控制器參數(shù)）；將反饋控制器1投入自動(dòng)，使下水箱液位（PV1）盡快穩(wěn)定；注意：無擾動(dòng)切換在液位達(dá)到穩(wěn)定的情況下改變MV2的值，變化10%（根據(jù)干擾流量大小確定），觀察純反饋控制的過渡過程質(zhì)量。若反饋參數(shù)不合適可適當(dāng)調(diào)整。 運(yùn)行前饋系統(tǒng)手動(dòng)設(shè)置前饋控制器初始輸出值在50%左右，點(diǎn)擊“靜態(tài)”按鈕；設(shè)置控制器的偏移量等于當(dāng)前前饋控制器的PV*Kff。（在此以前已經(jīng)放好了前饋補(bǔ)償系數(shù)Kff，T1=T2=100）。點(diǎn)擊前饋控制器“自動(dòng)”按鈕，將前饋控制器投入自動(dòng)運(yùn)行；點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的“前饋-反饋”按鈕，將前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)投入到與反饋環(huán)節(jié)共同作用的狀態(tài)；再次改變2#控制器手動(dòng)輸出MV2的值，加擾動(dòng)10%（與剛才純反饋控制時(shí)施加的干擾相同），觀察前饋-反饋控制共同作用下的過渡過程。若不太滿足要求，可適當(dāng)調(diào)整Kff ，然后再將MV2下降變化一次；（選做）若效果滿意且時(shí)間允許，可嘗試將測(cè)試得到的T1、T2值分別放入?yún)?shù)窗口，并確認(rèn)。然后點(diǎn)擊前饋控制器面板上的“動(dòng)態(tài)”按鈕，加入動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償功能。重復(fù)前面的干擾測(cè)試，觀察控制的質(zhì)量是否有變。若補(bǔ)償不足可加大T1 ，若補(bǔ)償過度可適當(dāng)增大T2或減小