前饋控制系統(tǒng)設計與實驗報告參考模板

1、前饋控制系統(tǒng)設計與實驗報告 院系：信息科學與技術學院 組員：自控1105 高月 2011014152自控1105 劉東方 2011014130測控1101 王旭 2011014342 指導教師：江弘 1 / 282014年7月12日目錄一、概述3二、課程設計任務及要求32.1、控制流程分析32.1.1目的32.1.2要求32.1.3說明32.1.4流程設計分析42.2、控制參數(shù)估算42.3、具體前饋控制方案設計52.4過程儀表選型112.4.1XMAF5000福光百特智能儀表112.4.2 電磁流量計112.4.3壓力液位傳感器132.5、進行系統(tǒng)仿真142.6、數(shù)據(jù)整理、繪圖、制表19 2.

2、7、總結21一、概述前饋控制系統(tǒng)是一種依據(jù)“系統(tǒng)不變性”原理，按照“擾動進行調節(jié)”的開環(huán)控制系統(tǒng)。既然是開環(huán)，該擾動量必須是可測而不可控的。所以，該控制系統(tǒng)的作用不能抑制擾動量，只能采用特定的方法補償擾動對被控參數(shù)造成的影響。顯然，根據(jù)擾動提前進行補償?shù)乃枷胧窍冗M的，應該說比被調參數(shù)受到擾動、造成偏差后才進行調節(jié)要更及時、有效；特別是當控制通道時間常數(shù)較大，滯后較大時。如果補償設計得當，可以產生很好的效果，但現(xiàn)場不是所有的干擾都可測，并且都可以設計出合適的補償環(huán)節(jié)。前饋控制器是需要用戶根據(jù)要求進行設計的控制器。二、課程設計任務及要求2.1、控制流程分析2.1.1目的構建前饋-反饋控制系統(tǒng)，并進

3、行操作和運行該系統(tǒng)，深入理解前饋-反饋控制控制系統(tǒng)的結構與工作原理； 了解、掌握前饋-反饋控制系統(tǒng)的投運及整定過程及步驟。2.1.2要求當外部干擾發(fā)生時，通過對可測干擾的補償，更快地克服干擾的影響，更好地保證被控參數(shù)穩(wěn)定。控制質量應好于單回路的情況。2.1.3說明（1）前饋-反饋系統(tǒng)是前饋+反饋控制系統(tǒng)的組合。（2）本實驗中的反饋系統(tǒng)部分為液位單回路控制系統(tǒng)；前饋部分為根據(jù)擾動流量設計的補償環(huán)節(jié)。 （3）被控對象: 雙容水箱; 被控參數(shù): 下水箱水位H; 控制參數(shù)：進入中水箱的流量Q2; 外部干擾：管路1流量Q1，變頻器(U101)驅動水泵P1產生流 量變化。2.1.4流程設計分析構建一個以下

4、液位H3為被控參數(shù)單回路反饋系統(tǒng)，流量Q1為主要干擾量,根據(jù)Q1、Q2分別對液位H3形成干擾通道和調節(jié)通道的關系，構成前饋補償環(huán)節(jié)，結合反饋系統(tǒng)，形成前饋-反饋控制系統(tǒng)。為了建立前饋補償環(huán)節(jié)模型，首先要確定控制通道和干擾通道各自對液位的一階模型參數(shù)（包括放大系數(shù)、時間常數(shù)）。將反饋系統(tǒng)投入自動，放置調好的PID參數(shù)，保證其滿足反饋系統(tǒng)的性能要求。分別設置前饋補償系數(shù)Kff、T1和T2，逐步投運前饋的靜、動態(tài)補償功能。然后檢驗是否達到希望的系統(tǒng)要求。2.2、控制參數(shù)估算二階對象：參數(shù)KT1T2t正向輸入（70到60）-0.75118.3118.312負向輸入（60到70）0.68122.5122

5、.523正向輸入（70到80）0.63959520負向輸入（80到70）-0.6121.5121.536平均值0.66114.3114.322.8Kff 實驗H3Q1(流量1)28.133.623.326.019.6H3=4.8Q1=7.6Kf=H3/Q1=4.8/7.6=0.6316Tf=0.6316*T(H3)=0.632*13=1.896Kff=Kf/Kc=0.6316/0.37=1.7(參考值為1.5)H3=3.7, MV1=10Kc=H3/MV1=3.7/10=0.37Tc=4min T1=T2=100 Kff=1.7 偏置量=53.0P=25 I=160 D=02.3、具體前饋控制

6、方案設計進行實驗系統(tǒng)連線，注意其連線的意義。本實驗中，控制流量進中水箱，干擾量直接進下水箱，干擾通道與調節(jié)通道不相同。啟動水泵1，2，等待液位穩(wěn)定。在系統(tǒng)穩(wěn)定后，測試干擾通道的傳遞函數(shù)，施加一增一減的兩個階躍干擾，獲得響應曲線，并求解出Kf, T2。調節(jié)通道的參數(shù)Kc、T1在以前的實驗已經獲得。將反饋控制系統(tǒng)投入運行，完成無擾動切換,放置上整定好的單回路控制器參數(shù)，調整設定值，使其工作在比較合適的高度。放入前饋參數(shù)，運行前饋補償環(huán)節(jié)，按照先靜態(tài)，后動態(tài)補償?shù)姆绞?，觀察補償效果，若需要可適當調整前饋補償系系數(shù)。觀察系統(tǒng)是否能滿足希望的控制質量指標(克服干擾更快、 穩(wěn)定更好）實驗裝置圖如下：實驗設

7、備連線如下圖：前饋控制系統(tǒng)方塊圖如下：加法輸出：AO0 =MV1+前饋MV -偏移量式中：前饋MV=-Kff* (T1S+1)/(T2S+1)*Q1Kff=Kf/Kc, T1為反饋控制通道時間常數(shù)，T2為干擾通道時間常數(shù)在本實驗中，擾動通道與調節(jié)通道并不完全相同，不但放大倍數(shù)，時間 常數(shù)也不相同。在僅需要進行靜態(tài)補償時，只需使用Kff參數(shù)即可。為前饋實驗專門設計的前饋補償器及實驗操作界面如下：前饋控制實驗步驟：1.系統(tǒng)運行準備與啟動1)連線:1 #控制器-反饋控制器，連下液位測量輸入，但其輸出不直接連線到控制閥。2#控制器，保持手動，其輸出MV2連接到變頻器U101，流量Q1連接到其測量端。軟

8、件中另增加了一個前饋補償操作器，負責進行前饋操作，參數(shù)設置 和修改，及補償運算。偏移量的設置也在這里完成。驅動前饋作用的擾動信號來 自2#控制器的測量端。2）界面:操作界面上標有加法器。前饋補償輸出信號及偏置信號一起送到加法器，在與反饋控制信號相疊加后送AOO端口輸出至控制閥。前饋實驗界面上有進入前饋/退出前饋按鈕，以選擇是執(zhí)行前饋-反饋控制，還是單純反饋方案。3)運行實驗軟件：首先點擊“退出前饋”按鈕，確保系統(tǒng)的反饋控制狀態(tài)有。 先置兩控制器皆手動，手操作MV1，使控制閥開度50%左右，啟動水泵2，向中水箱注水；稍后，啟動變頻器(接通變頻器電源,開通變頻器啟動開關，打開1#電磁閥，開啟手動閥

9、QV106，操縱控制器MV2-變頻器，向下水箱供水。擾動輸入應在20%左右。因下水箱的進水量較大，要適度調整下水箱出口閘板，以盡量確保兩個液位都在各自水箱的中部，待液位達到穩(wěn)定。2.前饋模型獲取與測試1）.獲得前饋補償模型Gff(s)先要獲得干擾通道與調節(jié)通道的特性-傳遞函數(shù)模型及參數(shù)，這可以通過分別對調節(jié)通道和擾動通道施加階 躍測試獲得。 a.采用階躍法測取干擾通道傳遞函數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)：改變變頻器的輸出10%，記錄對應的液位H3變化曲線。Kf=H3/Q1， Tf=0.632*H3所對應的時間。 b.采用階躍法測取調節(jié)通道的傳遞函數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)Kc, Tc：改變控制器輸出10%，記錄對

10、應的液位H3變化過程。Kc=H3/ Mv1; Tc ： H3與過曲線拐點的切線相交點所對應的時間段TbcTc，忽略純滯后時間。調節(jié)通道的參數(shù)前面的實驗已獲取，直接帶入釆用即可。2）將計算得出的參數(shù)Kff=Kf/Kc,放置入前饋補償操作器，相應的輸 入框中，點擊“確定”。而T1，T2先分別的設置為相等值，默認等于100。3） 運行反饋系統(tǒng)：a.系統(tǒng)穩(wěn)定，將反饋控制器1投入自動，注意：無擾動切換。b.將單回路反饋控制器的合適PI參數(shù)放置好，在液位達到穩(wěn)定的情況下改變MV2的值，變化10%，觀察純反饋控制的過渡過程質量。若反饋參數(shù)不合適可適當調整。4） 運行前饋系統(tǒng)：a.手動設置前饋控制器初始輸出值

11、在50%左右，點擊“靜態(tài)”按鈕。 b. 設置控制器的偏移量等于當前前饋控制器的輸出值?！驹诖艘郧耙呀浄藕昧饲梆佈a償系數(shù)Kff, T1=T2 =100】。點擊前饋控制器“自動”按鈕，將前饋控制器投入自動運行。c.點擊實驗環(huán)境中的“前饋-反饋” 按鈕，將前饋補償環(huán)節(jié)投入到與反饋環(huán)節(jié)共同作用的狀態(tài)。d.再次改變2#控制器手動輸出MV2的值，加擾動10%，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，可適當調整Kff。然后再將 MV2下降變化一次。e.若效果滿意且時間允許，可嘗試將測試得到的、正確的T1，T2值分別放入?yún)?shù)窗口，并確認。然后點擊前饋控制器面板上的“動態(tài)”按鈕，加入動態(tài)前饋補償

12、功能。重復前面的干擾測試，觀察控制的質量是否有變。若補償不足可加大T1，若補償過渡可適當增大T2或減小T1。2.4過程儀表選型 此次液位前饋控制的實驗，所用儀表有，智能控制儀表，流量計，液位傳感器，離心泵，閥門以及閥門定位器，接口部分。1，智能儀表（福光百特智能儀表）介紹詳見福光百特智能儀表說明書2，流量計(分體式電磁流量計) 電磁流量計（Eletromagnetic Flowmeters，簡稱EMF）是20世紀5060年代隨著電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。 電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制造的用來測量管內導電介質體積流量的感應式儀表。流量計又分為有轉子流量計、節(jié)流式流量

13、計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計和堰等。按介質分類：液體流量計和氣體流量計。根據(jù)現(xiàn)場實驗介質以及實驗需要，結合經濟效益選擇電磁流量計。（1） 就地顯示式（2） 外殼為IP65防護等級（3） 因為實驗設備要與計算機相連，需增加RS485通訊口。（4） FT-102 420mA DC AI 03m3/h3，液位傳感器（差壓式液位變送器） LT-103 420mADC AI 5kPa液位傳感器液位變送器種類介紹：浮球式液位變送器，浮簡式液位變送器，靜壓或液位變送器，電容式液位變送器,磁翻板液位計,超聲波液位計,雷達液位計。液位變送器主要用于工業(yè)企業(yè)生產中，密封罐，敞口罐，水泥罐，

14、鐵罐，塑料罐，地下罐等測量。根據(jù)現(xiàn)場實驗介質以及實驗需要，結合經濟效益選擇差壓式液位變送器1.浮球式液位變送器:由磁性浮球、測量導管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測量導管上下移動。導管內裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉換成420mA或其它標準信號輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點，電路內部含有恒流反饋電路和內保護電路，可使輸出最大電流不超過28mA，因而能夠可靠地保護電源并使二次儀表不被損壞。2. 浮筒式液位變送器:是將磁性浮球改為浮筒，它是根據(jù)阿基

15、米德浮力原理設計的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應變傳感技術來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時可以通過現(xiàn)場按鍵來進行常規(guī)的設定操作。該變送器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉換成電信號，再經放大電路放大和補償電路補償，最后以420mA或010mA電流方式輸出。3.電容式液位變送器:適用于工業(yè)企業(yè)在生產過程中進行測量和控制生產過程，主要用作類導電與非導電介質的液體液位或粉粒狀固體料位的遠距離連續(xù)測量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制420mA恒定電流輸出為基型，經過轉換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號形成為

16、15V、05V、010mA等標準信號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質的圓柱形金屬容器組成。當料位上升時，因非導電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變化而變化。變送器的模塊電路由基準源、脈寬調制、轉換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調特原理進行測量的優(yōu)點是頻率較低，對周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。4. 磁翻板液位變送器：適用于鐵罐，塑料罐和化工行業(yè)反應釜上的液位測量。6. 雷達液位變送器：適用于粘度較高的介質測量。價格相對較高。7. 差壓式液位變送器：用靜壓測量原理：當液位變送器嵌入到被測液體水箱中底部時，傳感器迎液面受到的壓力公式

17、為： = .g.H + Po式中：P ：變送器迎液面所受壓力：被測液體密度g ：當?shù)刂亓铀貾o ：液面上大氣壓H ：變送器投入液體的深度同時，通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 Po 與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的 Po ，使傳感器測得壓力為： .g.H ，顯然 , 通過測取壓力 P ，可以得到液位深度。（1） ABGAP-2400 0-640kPa（2） 法蘭接頭 排氣/排液閥 隔離膜片 灌充液體 F22 316不銹鋼 316不銹鋼 316不銹鋼 硅油（3） M1 O1 00%線性指示表頭（4） B3 管裝平支架（5） D2 法蘭側面排氣/排液閥在

18、下部（6） E2 防爆電纜接頭（7） G2 焊管接頭（8） d 隔爆2.5、進行系統(tǒng)仿真一仿真參數(shù)：干擾通道傳遞函數(shù)：GPD(w)=前饋補償環(huán)節(jié)：（Kff=1.5）G(ff)= -kff 控制通道傳遞函數(shù)：(transport delay time=22.8s T1=T2=114.3s K=0.66) GPD(s)= PID參數(shù)：Kp=3.1 Td=12s Ti=100s 2 （實際）實驗參數(shù)：K=1/30 Ti=160s Td= 0s1. 單回路PID整定（衰減比4：1）2.只加干擾，無前饋補償（衰減比4.09:1）3. 加干擾，加前饋補償（衰減比3.98：1）2.6、數(shù)據(jù)整理、繪圖、制表2.6.1 實驗數(shù)據(jù)匯總二階對象：參數(shù)KT1T2t正向輸入（70到60）-0.75118.3118.312負向輸入（60到70）0.68122.5122.523正向輸入（70到80）0.63959520負向輸入（80到70）-0.6121.5121.536平均值0.66114.3114.322.8最終取值0.66114.3114.322.8GPD(s)=一階干擾通道對象特性K=（y()-y(0)）/x=（21.2-15.3）/10=0.59=4s因為 y(T)=0.632y() 所以 T=80G(s)=0.59/(80s+1) K=0.59T=80Kff 實驗H3Q1(流量1)28.133