前饋控制和比值控制

5前饋控制和比值控制

FeedforwardControl

RatioControl內(nèi)容前饋控制的原理線性前饋控制的設(shè)計非線性前饋控制前饋反饋控制系統(tǒng)換熱器的反饋控制假設(shè)主要干擾為RF，T1單回路控制的仿真采用串級控制？串級控制需要：單回路控制不能滿足要求；可測量的副變量副變量需要滿足：快速反應主要干擾的影響干擾對副、主變量的影響具有因果關(guān)系調(diào)節(jié)閥對副、主變量的影響具有因果關(guān)系NO!無法采用串級控制！換熱器的前饋控制方案前饋控制的思想D1，……，Dn為可測擾動；u，y分別為被控對象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響。線性前饋控制方塊圖控制目標：開環(huán)動態(tài)前饋控制的可實現(xiàn)性可實現(xiàn)條件：（1）QFF(s)階次≤PFF(s)階次； （2）不滿足條件時怎么辦？可實現(xiàn)條件：（1）QFF(s)階次≤PFF(s)階次； （2）動態(tài)前饋控制的可實現(xiàn)性若條件（2）不滿足，可人為令若條件（1）不滿足，可令TDM=0，而GYD(s)與GYC(s)均用一階+純滯后近似。因而，工業(yè)系統(tǒng)中常用的動態(tài)前饋控制器為舉例：換熱器的前饋控制穩(wěn)態(tài)工作點：T1=20℃，RF=10T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180℃。假設(shè)：T2溫度測量變送的量程為100-300℃，RV和RF的量程分別為0~5T/hr和0~25T/hr。換熱器的線性前饋控制換熱器的線性前饋控制（續(xù)）采用階躍響應方法測試各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型：線性前饋控制的仿真有余差前饋加反饋控制前饋＋反饋控制的仿真非線性穩(wěn)態(tài)前饋控制穩(wěn)態(tài)平衡關(guān)系：非線性系統(tǒng)的動態(tài)前饋補償對于線性系統(tǒng)，動態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動態(tài)兩部分：對于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對象的非線性靜態(tài)模型計算得到，而動態(tài)部分同樣可按線性對象處理。非線性動態(tài)前饋控制器動態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對系統(tǒng)輸出T2的通道特性的動態(tài)部分。）前饋控制與反饋控制的比較

前饋控制

反饋控制擾動可測，但不要求被控量可測被控量直接可測超前調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實現(xiàn)問題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)）開環(huán)調(diào)節(jié)，無穩(wěn)定性問題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問題系統(tǒng)僅能感受有限個可測擾動系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動對于干擾與控制通道的動態(tài)模型，要求已知而且準確對通道模型要求弱，大多數(shù)情況無需對象模型對時變與非線性對象的適應性弱對時變與非線性對象的適應性與魯棒性強前饋反饋控制方案1前饋反饋控制方案2特點：可克服對象的非線性，或具有變增益控制器的功能。討論引入前饋控制的可能應用場合：常規(guī)反饋控制系統(tǒng)難以滿足要求；干擾可測。應用前饋控制的前提條件：主要干擾可測；調(diào)節(jié)閥與被測干擾之間沒有因果關(guān)系；干擾通道的響應速度比控制通道慢，至少應接近；干擾通道與控制通道的動態(tài)特性變化不大。比值控制內(nèi)容比值控制問題的由來；常用的比值控制方案與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；流量比值與比值器參數(shù)的關(guān)系；變比值控制。溶液配制問題問題：假設(shè)NaoH用量QB和稀釋水量QA可測并且QA可調(diào)。如果QB變化，如何調(diào)整以使稀釋液NaoH的濃度為6~8%左右？解決方案：（1）出口濃度控制；（2）入口流量的比值控制（流量比值？）。流量比值控制問題要求：QA

/QB

=KAB（比值系數(shù)）而QB為主動流量，QA為可控量，要求設(shè)計一控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)QA以實現(xiàn)上述比值控制目標。定比值控制方案單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)比值器的設(shè)定1穩(wěn)態(tài)條件:IA=I0假設(shè)流量測量變送環(huán)節(jié)為線性對象。對DDZIII型儀表,比值器的輸入輸出關(guān)系為令：穩(wěn)態(tài)條件:比值器的設(shè)定1（續(xù)）比值器的設(shè)定2假設(shè)流量測量變送環(huán)節(jié)為非線性對象。對DDZIII型儀表,比值器的輸入輸出關(guān)系為乘法器的設(shè)定穩(wěn)態(tài)條件:

IA=

I0對DDZIII型儀表,乘法器的輸入輸出關(guān)系為變比值控制系統(tǒng)存在問題：物料A的流量回路存在非線性，當物料B的流量減少時，回路增益增大，有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，并可能出現(xiàn)“除零”運算。對DDZIII型儀表,除法器的輸入輸出關(guān)系為變比值串級控制系統(tǒng)功能：（3）前饋反饋串級控制？上一節(jié)中所采用的前饋控制器：系統(tǒng)功能——變增益串級系統(tǒng)功能——前饋串級控制×南陽理工學院

本科生畢業(yè)設(shè)計

S7-300

PLC中鍋爐流量-溫度前饋反饋控制設(shè)計

姓名：王洋洋指導老師：殷華文

本次設(shè)計的中心思想在夾套鍋爐內(nèi)膽水溫度控制中，內(nèi)膽水溫為主控制對象，其本身具有較大的滯后，夾套冷卻水是系統(tǒng)的主擾動量。因此一點少量的流量擾動即會對內(nèi)膽溫度產(chǎn)生影響。由于流量為小慣性對象，流量擾動容易測量而不易控制。正因為流量擾動的這個特性我們可以用前饋補償來消除它對主控變量的影響。溫度控制我們用S7-300PLC中的FB41PID模塊來控制，而前饋補償疊加在PID運算中。再通過FB43將FB41的輸出轉(zhuǎn)換成時間比例脈沖從而控制加熱絲，實現(xiàn)溫度前饋反饋控制。一、本次設(shè)計相關(guān)基礎(chǔ)知識

（1）反饋控制系統(tǒng)：是根據(jù)被控量與給定值的偏差工作的,最后達到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù).又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。是過控系統(tǒng)中最基本的一種。簡稱FBC（FeedBack

Control）

特點：對各種擾動均有校正作用。但存在時滯問題，即從發(fā)現(xiàn)偏差到采取更正措施之間有時間延遲現(xiàn)象，在進行更正的時候，實際情況可能已經(jīng)有了很大的變化，而且往往是損失已經(jīng)造成了。（2）前饋控制系統(tǒng)：是按照干擾量的變化來補償其對被控變量的影響，從而達到被控量完全不受干擾影響的控制方式稱為前饋控制，簡稱FFC（FeedForwardControl），這種控制是一種開環(huán)控制。

特點：基于擾動來消除擾動對被控量的影響；動作“及時”；但由于前饋控制是一種開環(huán)控制,對于補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。這樣在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統(tǒng)無法得到這一信息而做進一步的校正，所以在實際生產(chǎn)過程中是不能單獨應用的。二、系統(tǒng)設(shè)計（1）設(shè)計思想：

為了使控制系統(tǒng)能達到控制要求，在該系統(tǒng)中可綜合反饋控制和前饋控制兩者的優(yōu)點。將兩者結(jié)合起來使用，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。將反饋控制不易克服的主要干擾進行前饋控制，這樣，既發(fā)揮了前饋校正及時的特點，又保持了反饋控制能克服多種干擾并對被控變量始終給與檢驗的優(yōu)點。（2）設(shè)計原理：前饋反饋控制原理圖三系統(tǒng)組成部分：（1）恒壓供水系統(tǒng)（由儀表、變頻器、磁力泵、壓力傳感器組成）。（2）單閉環(huán)恒溫部分（由鍋爐、電熱絲、控制器，溫度傳感器組成）。（3）前饋補償部分（由流量傳感器、前饋補償器組成）。軟件：SIEMENSS7-300PLC編程軟件力控，wincc組態(tài)軟件硬件：四S7-300PLC程序設(shè)計轉(zhuǎn)化1.模擬信號的采集：

在設(shè)計中我們需要采集的模擬量信號有內(nèi)膽水溫度和夾套冷卻水的流量信號。溫度傳感采集的溫度模擬信號經(jīng)過變送器變送成4~20mA的電流信號送入S7-300PLC的SM331模塊。同樣流量信號也轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號送入S7-300PLC的SM331模塊。

2.

模擬信號的轉(zhuǎn)換：在模擬信號進入SM331后，經(jīng)過其轉(zhuǎn)換將4~20mA的模擬信號轉(zhuǎn)換為0~27648的整數(shù)。需要注意的是0~27648是整數(shù)不是浮點數(shù)，在系統(tǒng)存儲器中是用一個字來存儲。因此經(jīng)過SM331轉(zhuǎn)換后是存儲在PIW里。程序如下圖所示：我們將溫度信號從SM331的第3個點引入，流量信號從第4個點引入。兩個信號的地址分別為PIW292和PIW294。而經(jīng)過FC105轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為浮點數(shù)，需要用一個雙字來存放。因此轉(zhuǎn)換后的值分別存放在DB41.DBD10和MD20中3.對流量信號的前饋補償：在加熱過程中手動打開電磁閥進行流量干擾。采集的流量信號經(jīng)過FC106的轉(zhuǎn)換后乘上已確定好的補償系數(shù)Kf，再送到PID的擾動輸入“DISV”端。4.信號輸出處理：

在FB41中采用數(shù)據(jù)塊尋址的方式，具體參數(shù)地址見DB41數(shù)據(jù)塊，MD12為前饋補償?shù)囊耄琇MN端為PID運算的輸出這個輸出為0~100的浮點數(shù)。

接下來要將FB41的輸出接入脈沖發(fā)生器FB43轉(zhuǎn)換成脈沖序列控制繼電器的通斷。繼電器通斷控制接觸器，從而通過接觸器控制加熱絲的通斷。DB41.DBD72為FB43的輸入，Q0.0為FB43的輸出。在程序中FB41和FB43的各個參數(shù)在DB41和DB43中設(shè)置。DB41和DB43作為兩個數(shù)據(jù)塊伴隨著FB41和FB43生成。在DB41和DB43中每個變量都有各自在數(shù)據(jù)塊存儲區(qū)的地址，在組態(tài)軟件中也可以通過這些地址檢測到控制過程中各個值的變化情況四、程序調(diào)試以及參數(shù)整定本次設(shè)計主要采用力控和wincc組態(tài)軟件進行上位機監(jiān)控，在線進行數(shù)據(jù)的讀寫和系統(tǒng)的調(diào)試。（1）PID參數(shù)的整定：

PID參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法二是工程整定方法在實際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個經(jīng)驗值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改

首先關(guān)閉微分作用，監(jiān)控曲線如下圖所示：

通過觀察穩(wěn)定時間較長（大約30分鐘），溫度控制達不到預想的效果。

加入微分作用，監(jiān)控曲線如下圖所示：在各參數(shù)不變的條件下加入微分作用，主要起到起到一個提前調(diào)節(jié)作用，這樣能減小熱慣性對溫度值的影響。通過觀察穩(wěn)定時間明顯縮短，大約10分鐘。

通過多組數(shù)據(jù)的實驗比較，我們得出了一組比較理想的參數(shù)GAIN=18TI=2minTD=10S下圖是整定后的溫度曲線圖。（2）進行有無前饋作用的比較下兩圖為在施加同一擾動時，有無前饋作用的比較：

無前饋作用

有前饋作用從上面兩圖可以看出：當加上前饋作用時上升的溫度曲線波紋較小，上升比較平穩(wěn)。說明前饋補償對外界的流量擾動起到了一定的作用。最后加大外界的流量擾動，實驗結(jié)果如圖所示設(shè)定溫度為55度，當前溫度為50度。在加熱的過程中我們手動加入一流量擾動（18點13時刻），流量變化如圖22右圖所示。經(jīng)過一段時間的加熱從圖中可以看到流量波動時對溫度曲線沒有產(chǎn)生太大影響，最終溫度達到了設(shè)定的溫度，誤差不到1度，可見前饋補償起到一定作用。謝謝！2009屆陳祎比值控制畢業(yè)設(shè)計單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)中采用“悌”字設(shè)備的兩路流量，一路(FIT101)為主動量，一路(FIT102)為從動量。主動量是從動量的K=1-2倍,主要程序見附錄：單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相乘方案：MD20是副流量，我們設(shè)置為：主動量是從動量的2倍，然后送入到MD60與主流量MD40進行比較經(jīng)過PID運算，控制調(diào)節(jié)閥動作。下圖為相乘方案。在DB41中，我們設(shè)置的P=30,I=10（詳細程序見附錄），在這里我們需要注意的是：我們選擇比值K的時候，下圖實例中K=2，此時K應為實數(shù)，所以相乘方案執(zhí)