前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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(cè)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(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(shuō)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(guò)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(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)”的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。既然是開(kāi)環(huán)，該擾動(dòng)量必須是可測(cè)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(duì)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(shuō)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(chǎng)不是所有的干擾都可測(cè)，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

3、統(tǒng)，并進(jìn)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(guò)程及步驟。精品.2.1.2要求當(dāng)外部干擾發(fā)生時(shí)，通過(guò)對(duì)可測(cè)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?？刂瀑|(zhì)量應(yīng)好于單回路的情況。2.1.3說(shuō)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(duì)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

4、析構(gòu)建一個(gè)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(duì)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)。精品.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(duì)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(duì)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.

5、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0.66114.3114.322.8kff 實(shí)驗(yàn)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(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(cè)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。精品.將反饋控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，完成無(wú)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?，觀察補(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、

7、穩(wěn)定更好）實(shí)驗(yàn)裝置圖如下：實(shí)驗(yàn)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(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：精品.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(cè)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

8、到變頻器u101，流量q1連接到其測(cè)量端。軟件中另增加了一個(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(hào)來(lái) 自2#控制器的測(cè)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(hào)及偏置信號(hào)一起送到加法器，在與反饋控制信號(hào)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(kāi)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(kāi)

9、通變頻器啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，打開(kāi)1#電磁閥，開(kāi)啟手動(dòng)閥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。精品.2.前饋模型獲取與測(cè)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(guò)分別對(duì)調(diào)節(jié)通道和擾動(dòng)通道施加階 躍測(cè)試獲得。 a.采用階躍法測(cè)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(duì)應(yīng)的液位h3變化曲線。kf=h3/q1， tf=0.632*h3所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 b.采用階躍法測(cè)取調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)的靜態(tài)和

10、動(dòng)態(tài)參數(shù)kc, tc：改變控制器輸出10%，記錄對(duì)應(yīng)的液位h3變化過(guò)程。kc=h3/ mv1; tc ： h3與過(guò)曲線拐點(diǎn)的切線相交點(diǎn)所對(duì)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(wú)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(guò)渡過(guò)程質(zhì)量。若反饋參數(shù)不合適可適當(dāng)調(diào)整。4

11、） 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在50%左右，點(diǎn)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(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(guò)渡過(guò)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(cè)試得到的、正確的t1，t2值分別放入?yún)?shù)窗口，并確認(rèn)。

12、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)償功能。重復(fù)前面的干擾測(cè)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(guò)渡可適當(dāng)增大t2或減小t1。2.4過(guò)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(jiàn)福光百特智能儀表說(shuō)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(jiǎn)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(lái)的新型流量測(cè)量?jī)x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(lái)測(cè)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(jì)又分為有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(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(chǎng)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(jí)（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(jiǎn)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

14、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，鐵罐，塑料罐，地下罐等測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量導(dǎo)管、信號(hào)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(cè)量導(dǎo)管上下移動(dòng)。導(dǎo)管內(nèi)裝有測(cè)量元件，它可以在外磁作用下將被測(cè)液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號(hào)，并將電子單元轉(zhuǎn)換成420ma或其它標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(guò)28ma，因而能夠可靠地保護(hù)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(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(lái)測(cè)量液體的液位、界位或密度的。它在工作時(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵來(lái)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(cè)量原理工作。它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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。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(guò)程中進(jìn)行測(cè)量和控制生產(chǎn)過(guò)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(cè)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(guò)轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號(hào)形成為15v、05v、010ma等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電容傳感器由絕緣電極和裝有測(cè)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(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低，對(duì)周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無(wú)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(cè)量。6. 雷達(dá)液位變送器：適用于粘度較高的介質(zhì)測(cè)量。價(jià)格相對(duì)較高。7. 差壓式液位變送器：用靜壓測(cè)量原理

17、：當(dāng)液位變送器嵌入到被測(cè)液體水箱中底部時(shí)，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(cè)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(shí)，通過(guò)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(cè)得壓力為： .g.h ，顯然 , 通過(guò)測(cè)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(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)精品. 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）精品.精品.2.只加干擾，無(wú)前饋補(bǔ)償（衰減比4.09:1）精品.精品.3. 加干擾，加前饋補(bǔ)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總二階對(duì)象：參數(shù)k