前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告參考模板

1、前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告 院系：信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 組員：自控1105 高月 2011014152自控1105 劉東方 2011014130測控1101 王旭 2011014342 指導(dǎo)教師：江弘 1 / 282014年7月12日目錄一、概述3二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)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(shè)計(jì)分析42.2、控制參數(shù)估算42.3、具體前饋控制方案設(shè)計(jì)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(jì)112.4.3壓力液位傳感器132.5、進(jìn)行系統(tǒng)仿真142.6、數(shù)據(jù)整理、繪圖、制表19 2.

2、7、總結(jié)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(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)償設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以產(chǎn)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(shè)計(jì)出合適的補(bǔ)償環(huán)節(jié)。前饋控制器是需要用戶根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制器。二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1、控制流程分析2.1.1目的構(gòu)建前饋-反饋控制系統(tǒng)，并進(jìn)

3、行操作和運(yùn)行該系統(tǒng)，深入理解前饋-反饋控制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理； 了解、掌握前饋-反饋控制系統(tǒng)的投運(yùn)及整定過程及步驟。2.1.2要求當(dāng)外部干擾發(fā)生時(shí)，通過對可測干擾的補(bǔ)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(zhì)量應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)流量設(shè)計(jì)的補(bǔ)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(jìn)入中水箱的流量Q2; 外部干擾：管路1流量Q1，變頻器(U101)驅(qū)動(dòng)水泵P1產(chǎn)生流 量變化。2.1.4流程設(shè)計(jì)分析構(gòu)建一個(gè)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(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液位的一階模型參數(shù)（包括放大系數(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。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(fù)向輸入（60到70）0.68122.5122

5、.523正向輸入（70到80）0.63959520負(fù)向輸入（80到70）-0.6121.5121.536平均值0.66114.3114.322.8Kff 實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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，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。啟動(dòng)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(gè)階躍干擾，獲得響應(yīng)曲線，并求解出Kf, T2。調(diào)節(jié)通道的參數(shù)Kc、T1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，若需要可適當(dāng)調(diào)整前饋補(bǔ)償系系數(shù)。觀察系統(tǒng)是否能滿足希望的控制質(zhì)量指標(biāo)(克服干擾更快、 穩(wěn)定更好）實(shí)驗(yàn)裝置圖如下：實(shí)驗(yàn)設(shè)

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(shí)間常數(shù)，T2為干擾通道時(shí)間常數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中，擾動(dòng)通道與調(diào)節(jié)通道并不完全相同，不但放大倍數(shù)，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。為前饋實(shí)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)的前饋補(bǔ)償器及實(shí)驗(yàn)操作界面如下：前饋控制實(shí)驗(yàn)步驟：1.系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備與啟動(dòng)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(dòng)，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(gè)前饋補(bǔ)償操作器，負(fù)責(zé)進(jìn)行前饋操作，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。驅(qū)動(dòng)前饋?zhàn)饔玫臄_動(dòng)信號來 自2#控制器的測量端。2）界面:操作界面上標(biāo)有加法器。前饋補(bǔ)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(shí)驗(yàn)界面上有進(jìn)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(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件：首先點(diǎn)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(dòng)，手操作MV1，使控制閥開度50%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,開通變頻器啟動(dòng)開關(guān)，打開1#電磁閥，開啟手動(dòng)閥

9、QV106，操縱控制器MV2-變頻器，向下水箱供水。擾動(dòng)輸入應(yīng)在20%左右。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)液位都在各自水箱的中部，待液位達(dá)到穩(wěn)定。2.前饋模型獲取與測試1）.獲得前饋補(bǔ)償模型Gff(s)先要獲得干擾通道與調(diào)節(jié)通道的特性-傳遞函數(shù)模型及參數(shù)，這可以通過分別對調(diào)節(jié)通道和擾動(dòng)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(dòng)態(tài)參數(shù)：改變變頻器的輸出10%，記錄對應(yīng)的液位H3變化曲線。Kf=H3/Q1， Tf=0.632*H3所對應(yīng)的時(shí)間。 b.采用階躍法測取調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)Kc, Tc：改變控制器輸出10%，記錄對

10、應(yīng)的液位H3變化過程。Kc=H3/ Mv1; Tc ： H3與過曲線拐點(diǎn)的切線相交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間段TbcTc，忽略純滯后時(shí)間。調(diào)節(jié)通道的參數(shù)前面的實(shí)驗(yàn)已獲取，直接帶入釆用即可。2）將計(jì)算得出的參數(shù)Kff=Kf/Kc,放置入前饋補(bǔ)償操作器，相應(yīng)的輸 入框中，點(diǎn)擊“確定”。而T1，T2先分別的設(shè)置為相等值，默認(rèn)等于100。3） 運(yùn)行反饋系統(tǒng)：a.系統(tǒng)穩(wěn)定，將反饋控制器1投入自動(dòng)，注意：無擾動(dòng)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(dá)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(zhì)量。若反饋參數(shù)不合適可適當(dāng)調(diào)整。4） 運(yùn)行前饋系統(tǒng)：a.手動(dòng)設(shè)置前饋控制器初始輸出值

11、在50%左右，點(diǎn)擊“靜態(tài)”按鈕。 b. 設(shè)置控制器的偏移量等于當(dāng)前前饋控制器的輸出值?！驹诖艘郧耙呀?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。c.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)。d.再次改變2#控制器手動(dòng)輸出MV2的值，加擾動(dòng)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(dāng)調(diào)整Kff。然后再將 MV2下降變化一次。e.若效果滿意且時(shí)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(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

12、功能。重復(fù)前面的干擾測試，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)償過渡可適當(dāng)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(shí)驗(yàn)，所用儀表有，智能控制儀表，流量計(jì)，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(jì)(分體式電磁流量計(jì)) 電磁流量計(jì)（Eletromagnetic Flowmeters，簡稱EMF）是20世紀(jì)5060年代隨著電子技術(shù)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(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律制造的用來測量管內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表。流量計(jì)又分為有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量

13、計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)和堰等。按介質(zhì)分類：液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)介質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)需要，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益選擇電磁流量計(jì)。（1） 就地顯示式（2） 外殼為IP65防護(hù)等級（3） 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備要與計(jì)算機(jī)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(jì),超聲波液位計(jì),雷達(dá)液位計(jì)。液位變送器主要用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)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(shí)驗(yàn)介質(zhì)以及實(shí)驗(yàn)需要，結(jié)合經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(dǎo)管上下移動(dòng)。導(dǎo)管內(nèi)裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成420mA或其它標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路，可使輸出最大電流不超過28mA，因而能夠可靠地保護(hù)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(shè)計(jì)的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感技術(shù)來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過現(xiàn)場按鍵來進(jìn)行常規(guī)的設(shè)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(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)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(chǎn)過程中進(jìn)行測量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)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(jīng)過轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)信號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當(dāng)料位上升時(shí)，因非導(dǎo)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(zhǔn)源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)釜上的液位測量。6. 雷達(dá)液位變送器：適用于粘度較高的介質(zhì)測量。價(jià)格相對較高。7. 差壓式液位變送器：用靜壓測量原理：當(dāng)液位變送器嵌入到被測液體水箱中底部時(shí)，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(dāng)?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(shí)，通過導(dǎo)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(fù)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(cè)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(jìn)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(bǔ)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(shí)際）實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償（衰減比4.09:1）3. 加干擾，加前饋補(bǔ)償（衰減比3.98：1）2.6、數(shù)據(jù)整理、繪圖、制表2.6.1 實(shí)驗(yàn)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(fù)向輸入（60到70）0.68122.5122.523正向輸入（70到80）0.63959520負(fù)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?yàn)?y(T)=0.632y() 所以 T=80G(s)=0.59/(80s+1) K=0.59T=80Kff 實(shí)驗(yàn)H3Q1(流量1)28.133