前饋控制系統(tǒng)設(shè)計與實驗報告

1、.前饋控制系統(tǒng)設(shè)計與實驗報告 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 精品.2014年7月12日精品.目錄一、概述3二、課程設(shè)計任務(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)計分析42.2、控制參數(shù)估算42.3、具體前饋控制方案設(shè)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(jié)21精品.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(diào)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(yīng)該說比被調(diào)參數(shù)受到擾動、造成偏差后才進行調(diào)節(jié)要更及時、有效；特別是當(dāng)控制通道時間常數(shù)較大，滯后較大時。如果補償設(shè)計得當(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(shè)計的控制器。二、課程設(shè)計任務(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

3、統(tǒng)，并進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(jié)構(gòu)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。精品.2.1.2要求當(dāng)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?？刂瀑|(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(shè)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(qū)動水泵p1產(chǎn)生流 量變化。2.1.4流程設(shè)計分

4、析構(gòu)建一個以下液位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)成前饋補償環(huán)節(jié)，結(jié)合反饋系統(tǒng)，形成前饋-反饋控制系統(tǒng)。精品.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(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.

5、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0.66114.3114.322.8kff 實驗精品.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

6、d=02.3、具體前饋控制方案設(shè)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(diào)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(yīng)曲線，并求解出kf, t2。調(diào)節(jié)通道的參數(shù)kc、t1在以前的實驗已經(jīng)獲得。精品.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(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(dāng)調(diào)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(zhì)量指標(biāo)(克服干擾更快、

7、穩(wěn)定更好）實驗裝置圖如下：實驗設(shè)備連線如下圖：精品.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(diào)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(shè)計的前饋補償器及實驗操作界面如下：精品.前饋控制實驗步驟：1.系統(tǒng)運行準(zhǔn)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

8、到變頻器u101，流量q1連接到其測量端。軟件中另增加了一個前饋補償操作器，負責(zé)進行前饋操作，參數(shù)設(shè)置 和修改，及補償運算。偏移量的設(shè)置也在這里完成。驅(qū)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(biāo)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

9、通變頻器啟動開關(guān)，打開1#電磁閥，開啟手動閥qv106，操縱控制器mv2-變頻器，向下水箱供水。擾動輸入應(yīng)在20%左右。因下水箱的進水量較大，要適度調(diào)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。精品.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(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(yīng)的液位h3變化曲線。kf=h3/q1， tf=0.632*h3所對應(yīng)的時間。 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

10、動態(tài)參數(shù)kc, tc：改變控制器輸出10%，記錄對應(yīng)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(yīng)的時間段tbctc，忽略純滯后時間。調(diào)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(yīng)的輸 入框中，點擊“確定”。而t1，t2先分別的設(shè)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(zhì)量。若反饋參數(shù)不合適可適當(dāng)調(diào)整。4

11、） 運行前饋系統(tǒng)：a.手動設(shè)置前饋控制器初始輸出值在50%左右，點擊“靜態(tài)”按鈕。精品. 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(dāng)調(diào)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。

12、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。若補償不足可加大t1，若補償過渡可適當(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(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

13、積流量的感應(yīng)式儀表。精品.流量計又分為有轉(zhuǎn)子流量計、節(jié)流式流量計、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(zhì)分類：液體流量計和氣體流量計。根據(jù)現(xiàn)場實驗介質(zhì)以及實驗需要，結(jié)合經(jīng)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(shè)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

14、計。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，鐵罐，塑料罐，地下罐等測量。根據(jù)現(xiàn)場實驗介質(zhì)以及實驗需要，結(jié)合經(jīng)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(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。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，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)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

15、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)阿基米德浮力原理設(shè)計的。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。它在工作時可以通過現(xiàn)場按鍵來進行常規(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)放大電路放大和補償電路補償，最后以420ma或010ma電流方式輸出。精品.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

16、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，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(yīng)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(zhì)測量。價格相對較高。7. 差壓式液位變送器：用靜壓測量原理

17、：當(dāng)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铀賞o ：液面上大氣壓h ：變送器投入液體的深度同時，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 灌充液體精品. f22 316不銹鋼 316不銹鋼 316不銹鋼 硅油（3） m1 o1 00

18、%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)精品. 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）精品.精品.2.只加干擾，無前饋補償（衰減比4.09:1）精品.精品.3. 加干擾，加前饋補償（衰減比3.98：1）精品.精品.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)k