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(jì)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(jí)控制？串級(jí)控制需要：?jiǎn)位芈房刂撇荒軡M足要求；可測(cè)量的副變量副變量需要滿足：快速反應(yīng)主要干擾的影響干擾對(duì)副、主變量的影響具有因果關(guān)系調(diào)節(jié)閥對(duì)副、主變量的影響具有因果關(guān)系NO!無(wú)法采用串級(jí)控制！換熱器的前饋控制方案前饋控制的思想D1，……，Dn為可測(cè)擾動(dòng)；u，y分別為被控對(duì)象的操作變量與受控變量。前饋思想：在擾動(dòng)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(dòng)的影響。線性前饋控制方塊圖控制目標(biāo)：開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)前饋控制的可實(shí)現(xiàn)性可實(shí)現(xiàn)條件：（1）QFF(s)階次≤PFF(s)階次； （2）不滿足條件時(shí)怎么辦？可實(shí)現(xiàn)條件：（1）QFF(s)階次≤PFF(s)階次； （2）動(dòng)態(tài)前饋控制的可實(shí)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(dòng)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(diǎn)：T1=20℃，RF=10T/hr，RV=2T/hr，Kv=800，T2=180℃。假設(shè)：T2溫度測(cè)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(yīng)方法測(cè)試各個(gè)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(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償對(duì)于線性系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)前饋控制器可表示成靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩部分：對(duì)于非線性系統(tǒng)，上式中靜態(tài)前饋部分可由對(duì)象的非線性靜態(tài)模型計(jì)算得到，而動(dòng)態(tài)部分同樣可按線性對(duì)象處理。非線性動(dòng)態(tài)前饋控制器動(dòng)態(tài)前饋控制器（g1(s)、g2(s)、g3(s)分別表示RVsp、T1、RF對(duì)系統(tǒng)輸出T2的通道特性的動(dòng)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(dòng)可測(cè)，但不要求被控量可測(cè)被控量直接可測(cè)超前調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出的不變性（但存在可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題）按偏差控制，存在偏差才能調(diào)節(jié)（滯后調(diào)節(jié)）開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題閉環(huán)調(diào)節(jié)，存在穩(wěn)定性問(wèn)題系統(tǒng)僅能感受有限個(gè)可測(cè)擾動(dòng)系統(tǒng)可感受所有影響輸出的擾動(dòng)對(duì)于干擾與控制通道的動(dòng)態(tài)模型，要求已知而且準(zhǔn)確對(duì)通道模型要求弱，大多數(shù)情況無(wú)需對(duì)象模型對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性弱對(duì)時(shí)變與非線性對(duì)象的適應(yīng)性與魯棒性強(qiáng)前饋反饋控制方案1前饋反饋控制方案2特點(diǎn)：可克服對(duì)象的非線性，或具有變?cè)鲆婵刂破鞯墓δ?。討論引入前饋控制的可能?yīng)用場(chǎng)合：常規(guī)反饋控制系統(tǒng)難以滿足要求；干擾可測(cè)。應(yīng)用前饋控制的前提條件：主要干擾可測(cè)；調(diào)節(jié)閥與被測(cè)干擾之間沒(méi)有因果關(guān)系；干擾通道的響應(yīng)速度比控制通道慢，至少應(yīng)接近；干擾通道與控制通道的動(dòng)態(tài)特性變化不大。比值控制內(nèi)容比值控制問(wèn)題的由來(lái)；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(wèn)題問(wèn)題：假設(shè)NaoH用量QB和稀釋水量QA可測(cè)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(wèn)題要求：QA

/QB

=KAB（比值系數(shù)）而QB為主動(dòng)流量，QA為可控量，要求設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)QA以實(shí)現(xiàn)上述比值控制目標(biāo)。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(cè)量變送環(huán)節(jié)為線性對(duì)象。對(duì)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(cè)量變送環(huán)節(jié)為非線性對(duì)象。對(duì)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(duì)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(wèn)題：物料A的流量回路存在非線性，當(dāng)物料B的流量減少時(shí)，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(yùn)算。對(duì)DDZIII型儀表,除法器的輸入輸出關(guān)系為變比值串級(jí)控制系統(tǒng)功能：（3）前饋反饋串級(jí)控制？上一節(jié)中所采用的前饋控制器：系統(tǒng)功能——變?cè)鲆娲?jí)系統(tǒng)功能——前饋串級(jí)控制×南陽(yáng)理工學(xué)院

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)

S7-300

PLC中鍋爐流量-溫度前饋反饋控制設(shè)計(jì)

姓名：王洋洋指導(dǎo)老師：殷華文

本次設(shè)計(jì)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(duì)象，其本身具有較大的滯后，夾套冷卻水是系統(tǒng)的主擾動(dòng)量。因此一點(diǎn)少量的流量擾動(dòng)即會(huì)對(duì)內(nèi)膽溫度產(chǎn)生影響。由于流量為小慣性對(duì)象，流量擾動(dòng)容易測(cè)量而不易控制。正因?yàn)榱髁繑_動(dòng)的這個(gè)特性我們可以用前饋補(bǔ)償來(lái)消除它對(duì)主控變量的影響。溫度控制我們用S7-300PLC中的FB41PID模塊來(lái)控制，而前饋補(bǔ)償疊加在PID運(yùn)算中。再通過(guò)FB43將FB41的輸出轉(zhuǎn)換成時(shí)間比例脈沖從而控制加熱絲，實(shí)現(xiàn)溫度前饋反饋控制。一、本次設(shè)計(jì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

（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(dá)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(guò)控系統(tǒng)中最基本的一種。簡(jiǎn)稱FBC（FeedBack

Control）

特點(diǎn)：對(duì)各種擾動(dòng)均有校正作用。但存在時(shí)滯問(wèn)題，即從發(fā)現(xiàn)偏差到采取更正措施之間有時(shí)間延遲現(xiàn)象，在進(jìn)行更正的時(shí)候，實(shí)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(lái)補(bǔ)償其對(duì)被控變量的影響，從而達(dá)到被控量完全不受干擾影響的控制方式稱為前饋控制，簡(jiǎn)稱FFC（FeedForwardControl），這種控制是一種開(kāi)環(huán)控制。

特點(diǎn)：基于擾動(dòng)來(lái)消除擾動(dòng)對(duì)被控量的影響；動(dòng)作“及時(shí)”；但由于前饋控制是一種開(kāi)環(huán)控制,對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤](méi)有檢驗(yàn)的手段。這樣在前饋?zhàn)饔玫目刂平Y(jié)果并沒(méi)有最后消除被控變量偏差時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中是不能單獨(dú)應(yīng)用的。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）設(shè)計(jì)思想：

為了使控制系統(tǒng)能達(dá)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(diǎn)。將兩者結(jié)合起來(lái)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(jìn)行前饋控制，這樣，既發(fā)揮了前饋校正及時(shí)的特點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種干擾并對(duì)被控變量始終給與檢驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。（2）設(shè)計(jì)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(bǔ)償部分（由流量傳感器、前饋補(bǔ)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(jì)轉(zhuǎn)化1.模擬信號(hào)的采集：

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

2.

模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換：在模擬信號(hào)進(jìn)入SM331后，經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)換將4~20mA的模擬信號(hào)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(diǎn)數(shù)，在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中是用一個(gè)字來(lái)存儲(chǔ)。因此經(jīng)過(guò)SM331轉(zhuǎn)換后是存儲(chǔ)在PIW里。程序如下圖所示：我們將溫度信號(hào)從SM331的第3個(gè)點(diǎn)引入，流量信號(hào)從第4個(gè)點(diǎn)引入。兩個(gè)信號(hào)的地址分別為PIW292和PIW294。而經(jīng)過(guò)FC105轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為浮點(diǎn)數(shù)，需要用一個(gè)雙字來(lái)存放。因此轉(zhuǎn)換后的值分別存放在DB41.DBD10和MD20中3.對(duì)流量信號(hào)的前饋補(bǔ)償：在加熱過(guò)程中手動(dòng)打開(kāi)電磁閥進(jìn)行流量干擾。采集的流量信號(hào)經(jīng)過(guò)FC106的轉(zhuǎn)換后乘上已確定好的補(bǔ)償系數(shù)Kf，再送到PID的擾動(dòng)輸入“DISV”端。4.信號(hào)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(jiàn)DB41數(shù)據(jù)塊，MD12為前饋補(bǔ)償?shù)囊?，LMN端為PID運(yùn)算的輸出這個(gè)輸出為0~100的浮點(diǎn)數(shù)。

接下來(lái)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(guò)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(gè)參數(shù)在DB41和DB43中設(shè)置。DB41和DB43作為兩個(gè)數(shù)據(jù)塊伴隨著FB41和FB43生成。在DB41和DB43中每個(gè)變量都有各自在數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)區(qū)的地址，在組態(tài)軟件中也可以通過(guò)這些地址檢測(cè)到控制過(guò)程中各個(gè)值的變化情況四、程序調(diào)試以及參數(shù)整定本次設(shè)計(jì)主要采用力控和wincc組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控，在線進(jìn)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(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法二是工程整定方法在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(guò)觀察穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)（大約30分鐘），溫度控制達(dá)不到預(yù)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(gè)提前調(diào)節(jié)作用，這樣能減小熱慣性對(duì)溫度值的影響。通過(guò)觀察穩(wěn)定時(shí)間明顯縮短，大約10分鐘。

通過(guò)多組數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行有無(wú)前饋?zhàn)饔玫谋容^下兩圖為在施加同一擾動(dòng)時(shí)，有無(wú)前饋?zhàn)饔玫谋容^：

無(wú)前饋?zhàn)饔?/p>

有前饋?zhàn)饔脧纳厦鎯蓤D可以看出：當(dāng)加上前饋?zhàn)饔脮r(shí)上升的溫度曲線波紋較小，上升比較平穩(wěn)。說(shuō)明前饋補(bǔ)償對(duì)外界的流量擾動(dòng)起到了一定的作用。最后加大外界的流量擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示設(shè)定溫度為55度，當(dāng)前溫度為50度。在加熱的過(guò)程中我們手動(dòng)加入一流量擾動(dòng)（18點(diǎn)13時(shí)刻），流量變化如圖22右圖所示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱從圖中可以看到流量波動(dòng)時(shí)對(duì)溫度曲線沒(méi)有產(chǎn)生太大影響，最終溫度達(dá)到了設(shè)定的溫度，誤差不到1度，可見(jiàn)前饋補(bǔ)償起到一定作用。謝謝！2009屆陳祎比值控制畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dòng)量，一路(FIT102)為從動(dòng)量。主動(dòng)量是從動(dòng)量的K=1-2倍,主要程序見(jiàn)附錄：?jiǎn)伍]環(huán)比值控制系統(tǒng)相乘方案：MD20是副流量，我們?cè)O(shè)置為：主動(dòng)量是從動(dòng)量的2倍，然后送入到MD60與主流量MD40進(jìn)行比較經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。下圖為相乘方案。在DB41中，我們?cè)O(shè)置的P=30,I=10（詳細(xì)程序見(jiàn)附錄），在這里我們需要注意的是：我們選擇比值K的時(shí)候，下圖實(shí)例中K=2，此時(shí)K應(yīng)為實(shí)數(shù)，所以相乘方案執(zhí)