下水箱液位前饋-反饋控制

下水箱液位前饋下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)#在調(diào)節(jié)器的輸出，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控對(duì)象的影響。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4-1所示。圖4-1下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖可知，擾動(dòng)F(s)得到全補(bǔ)償?shù)臈l件為F(s)G(s)+F(s)G(s)G(s)=0fF0TOC\o"1-5"\h\z/、G(s)/、G(s)=-f(4-1)FG(s)0上式給出的條件由于受到物理實(shí)現(xiàn)條件的限制，顯然只能近似地得到滿足,即前饋控制不能全部消除擾動(dòng)對(duì)被控制量的影響，但如果它能去掉擾動(dòng)對(duì)被控制量的大部分影響，則認(rèn)為前饋控制已起到了應(yīng)有的作用。為使補(bǔ)償器簡(jiǎn)單起見(jiàn),G(s)用比例器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖其值按本章式(4-1)來(lái)計(jì)算。F靜態(tài)放大系數(shù)K的整定方法。F開(kāi)環(huán)整定法開(kāi)環(huán)整定法是在系統(tǒng)斷開(kāi)反饋回路的情況下，僅采用靜態(tài)前饋?zhàn)饔?，?lái)克服對(duì)被控參數(shù)影響的一種整定法。整定時(shí)，K由小到大緩慢調(diào)節(jié)，觀察前饋補(bǔ)償?shù)腇作用，直至被控參數(shù)基本回到給定值上，即實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。此時(shí)的靜態(tài)參數(shù)即為最佳的整定參數(shù)值K,實(shí)際上K值符合下式關(guān)系，即FFKK=-f(4-2)F-0式中：K、K分別為擾動(dòng)通道、控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)。f0開(kāi)環(huán)整定法適用于在系統(tǒng)中其他擾動(dòng)不占主要地位的場(chǎng)合，不然有較大偏差。前饋-反饋整定法

圖4-2前饋-反饋系統(tǒng)參數(shù)整定方框圖在圖4-2所示系統(tǒng)反饋回路整定好的基礎(chǔ)上，先合上開(kāi)關(guān)K,使系統(tǒng)為前饋-反饋控制系統(tǒng)，然后由小到大調(diào)節(jié)K值，可得到在擾動(dòng)f(t)作用下如圖4-3F所示的一系列響應(yīng)曲線，其中圖4-3(b)所示的曲線補(bǔ)償效果最好。T*T*T1(a)欠補(bǔ)償(a)欠補(bǔ)償(b)補(bǔ)償合適(c)過(guò)補(bǔ)償圖4-3前饋-反饋系統(tǒng)卡的整定過(guò)程利用反饋系統(tǒng)整定K值F待圖7-2所示系統(tǒng)運(yùn)行正常后，打開(kāi)開(kāi)關(guān)K,則系統(tǒng)成為反饋控制。1、待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并使被控參數(shù)等于給定值時(shí)，記錄相應(yīng)的擾動(dòng)量F和0調(diào)節(jié)器輸出u。02、人為改變前饋擾動(dòng)，使F變?yōu)镕，待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且被控參數(shù)等于給01定值時(shí)，記錄此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出值U。13、按下式計(jì)算K值F(4-3)u—u(4-3)K二—o

FF—F10實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖本實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖如圖4-4所示?？刂葡到y(tǒng)流程圖圖4-4實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)流程圖本實(shí)驗(yàn)主要涉及三路信號(hào)，其中兩路為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)，它們分別是下水箱液位和變頻器支路的管道流量；另外一路是控制閥門定位器的控制信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)中的變頻器支路的管道流量信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，與SIEMENS的模擬量輸入模塊SM331相連，SM331和分布式I/O模塊ET200M直接相連，ET200M掛接到PROFIBUS-DP總線上，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP為PROFIBUS-DP總線上的DP主站），這樣就完成了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)向控制器CPU315-2DP的傳送。本實(shí)驗(yàn)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門定位器）和下水箱液位檢測(cè)裝置（壓力變送器）均為帶PROFIBUS-PA通訊接口的部件，掛接在PROFIBUS-PA總線上，PROFIBUS-PA總線通過(guò)LINK和COUPLER組成的DP鏈路與PROFIBUS-DP總線交換數(shù)據(jù)，PROFIBUS-DP總線上掛接有控制器CPU315-2DP，由于PROFIBUS-PA總線和PROFIBUS-DP總線中信號(hào)傳輸是雙向的，這樣既完成了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)向CPU的傳送，又使得控制器CPU315-2DP發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)由PROFIBUS-DP總線到達(dá)PROFIBUS-PA總線來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門定位器。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對(duì)象，實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門Fl-1、Fl-2、Fl-7、F2-1、F2-4全開(kāi)，將閥門Fl-10、F1-11開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度（閥F1-10>F1-11），其余閥門都關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源，打開(kāi)用作上位監(jiān)控的的PC機(jī)，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。2、在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“下水箱液位前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)，呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖4-5所示。

|褥Win匸匸|褥Win匸匸-Runtime^3、在實(shí)驗(yàn)界面中點(diǎn)擊“啟動(dòng)變頻器”按鈕啟動(dòng)變頻器。并在變頻器頻率設(shè)定輸入框中給變頻器一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。4、合上三相電源空氣開(kāi)關(guān)，使磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水。5、按單回路的整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)定。按前面靜態(tài)放大系數(shù)的整定方法整定前饋放大系數(shù)kf。F6、待液位穩(wěn)定于給定值時(shí)，打開(kāi)閥門F2-4或F2-5，給變頻器設(shè)定較小頻率給中水箱（或下水箱）打水加干擾（要求擾動(dòng)量為控制量的5%?15%，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出），觀察計(jì)算機(jī)記錄下的水箱液位的響應(yīng)過(guò)程曲線。7、將前饋補(bǔ)償去掉，即構(gòu)成雙容液位定值控制系統(tǒng)，重復(fù)步驟6,用計(jì)算機(jī)記錄系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，比較該曲線與加前饋補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)曲線有什么不同。第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析實(shí)驗(yàn)圖下水箱PI的前饋--反饋控制11測(cè):fr?(PV)輸出值(0P；變頻器頻至.用”用0發(fā)區(qū)D.003.00前饋系數(shù)Tr?ndinth*forAgrotiridlspl實(shí)驗(yàn)梳程實(shí)時(shí)曲踐數(shù)據(jù)報(bào)表返冋主菜單十九.下水箱液位前饋■反饋控制實(shí)驗(yàn)14.5%100500048074598-43B9-4110^397V37&2'355l3：33443135292B-271.7-25詢2299；2090109V1672^146312514104.51836^627141.8-茨90012/14/102:5100RS5?00PM5300E35400PM:55:00訊弱00H057:00PI45800訊5000P?0000PM設(shè)定值＜SV)下水箱PI的前饋--反饋控制實(shí)驗(yàn)十九5下水箱液位前饋■反饋控制實(shí)驗(yàn)11變頻器期至.1:3S:Q0PRI4Q00PI?41:00PM4200PW43t00PM44-00PM45:00P豔0&QQ用47：Q0PMt4800刊20.90012/14/10100itirTi50004907459843B9397137EL2355l333443135292E271.72506229920SD1S&1167J146312541045@36設(shè)定值(SV)Trfln.dinth?forAgrotindlspl實(shí)驗(yàn)流程I輸出值(OP)13.0死區(qū)0.00前饋系數(shù)姿時(shí)血我l「散據(jù)報(bào)丟I逅冋上菓單下水箱PI的前饋--反饋控制實(shí)驗(yàn)十九、下水箱液位前饋-反饋控制實(shí)驗(yàn)設(shè)定值＜SV)變壩器頻至.459843B941ao355.333443135292E27172299309014￡3397137B2104563Sieai1B72100mm0012/14/101:56設(shè)定值＜SV)變壩器頻至.459843B941ao355.333443135292E27172299309014￡3397137B2104563Sieai1B72100mm0012/14/101:5600FH5700PM:5e00PH5&00PM:0000Fig0100P厝陰00Ptt0300Ptt04;00P?0500PM定

整

數(shù)

參30%IriTQndinth*fwagroundspL實(shí)驗(yàn)流程11實(shí)時(shí)曲線1數(shù)據(jù)報(bào)表1逅回主菓單下水箱PID的前饋--反饋控制實(shí)驗(yàn)十九、下水箱液位前饋-反45SLB14389柚0」soao：4807^旦測(cè)呈值(PV)輸出值(OP)變頻器頻率.0死區(qū)0.003.00前饋系數(shù)Tr?n.dinth?foragraundl30比裟用397.137E235533135232EH271725082090125.41045ie&i167.2209彳00J12/14/1021800PiaiSOOPQ:2000FW21:00叩:22:QQ刑23tOQP址斟:Q0FT32500Pit:2600HS2700PM1100mr100mmH0.0%設(shè)定值(SV)實(shí)驗(yàn)流程1實(shí)時(shí)曲線1數(shù)據(jù)報(bào)表返口主菜單下水箱PID的前饋--反饋控制比例度代)輸出上限輸岀下限Trandinth?foragroundspl設(shè)定值(SV)100積豬間微帶間定

整

數(shù)參測(cè)星憤(PV)變壩器頻亜.0.0rnrr變壩器頻亜.0.01100mrT1.Q20000.020000.0200000.00輸出值(OP；比鍍用比裟比例度代)輸出上限輸岀下限Trandinth?foragroundspl設(shè)定值(SV)100積豬間微帶間定

整

數(shù)參測(cè)星憤(PV)變壩器頻亜.0.0rnrr變壩器頻亜.0.01100mrT1.Q20000.020000.0200000.00輸出值(OP；比鍍用比裟;用死區(qū)前饋系數(shù)0.00實(shí)驗(yàn)菰程實(shí)時(shí)曲線數(shù)據(jù)報(bào)表返回主菜單下水箱PID的前饋--反饋控制分析通過(guò)上位機(jī)改變不同的參數(shù)得到了上面的6個(gè)下水箱液位前饋反饋控制的歷史曲線圖。在前饋系數(shù)不變的情況下我們可以看出改變P,I,D三個(gè)參數(shù)可以讓我們獲得不同的歷史曲線。其中參數(shù)不變的有設(shè)定值和變頻器頻率的數(shù)值分別設(shè)為100mm和30%。輸出上限和輸出下限分別為200.00和0.00。死區(qū)時(shí)間不設(shè)定。下面從PI和PID分別控制來(lái)說(shuō)明控制的效果。PI的下水箱液位前饋-反饋控制：首先關(guān)閉微分作用也就是PID當(dāng)中的D這個(gè)參數(shù)讓它對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響。按照對(duì)一般的系統(tǒng)測(cè)試我們先設(shè)定比例值（P）通常為0.3-10.0,積分值（I）越大越好,通過(guò)不斷的調(diào)整比例值和積分值就可以達(dá)到很好的響應(yīng)曲線，是系統(tǒng)更快更穩(wěn)的達(dá)到設(shè)定值。前三幅圖片即為PI控制的下水箱液位前饋-反饋控制。我們可以看出比例值（P）越大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間就越短，反之則時(shí)間越長(zhǎng)，但是比例值（P）太大也會(huì)引起系統(tǒng)的嚴(yán)重超調(diào)進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)不能達(dá)到預(yù)期效果。積分值（I）的作用是使系統(tǒng)無(wú)偏差即消除系統(tǒng)的殘差是系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果。積分時(shí)間要根據(jù)不同的系統(tǒng)來(lái)決定，對(duì)于液位控制當(dāng)然是越大越好，這樣效果很好，但是時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，綜上所述我們可以選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤担≒）和積分值（I）是系統(tǒng)完全滿足我們的需要。PID的下水箱液位前饋-反饋控制：和PI控制一樣先設(shè)定比例值（P）為0.3~10.0之間的一個(gè)適當(dāng)值，積分值（I）越大越好，微分值（D）也是越大越好,通過(guò)不斷的修改這3個(gè)值我們就能得到我們想要的曲線達(dá)到預(yù)期的效果。與PI控制不同的是這里有一個(gè)微分時(shí)間（D），它的作用是減小超調(diào)，因?yàn)槿绻{(diào)量太大的話會(huì)產(chǎn)生不能預(yù)知的不良反應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)有很大的影響。所以微分時(shí)間的選擇也是有要求的，通過(guò)對(duì)后三幅圖的研究可以看出微分時(shí)間也應(yīng)該選擇比較大的數(shù)值，但它是以犧牲系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為代價(jià)的。因此我們要根據(jù)工程的需要來(lái)確定它的數(shù)值。接下來(lái)我們來(lái)研究前饋系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，我們加上前饋系數(shù)是因?yàn)橐屜到y(tǒng)更快的達(dá)到穩(wěn)定。我們通常使用的反饋控制對(duì)于變化幅度較大而且十分頻繁的負(fù)荷擾動(dòng)往往是不能滿足要求的。而前饋控制卻能把影響過(guò)程的主要擾動(dòng)因素預(yù)先測(cè)量出來(lái)，再根據(jù)對(duì)象的平衡條件，計(jì)算出適應(yīng)該擾動(dòng)的調(diào)節(jié)量然后進(jìn)行控制。前饋控制與反饋控制之間存在著一個(gè)根本的差別，即前饋控制是開(kāi)環(huán)控制而不是閉環(huán)控制，它的控制效果將不能通過(guò)反饋來(lái)加以檢驗(yàn)；而而反饋控制是閉環(huán)控制，它的控制效果卻能通過(guò)反饋加以檢驗(yàn)。我們還可以看出加了前饋的系統(tǒng)是快的，有智能的和敏感的，但是它是不準(zhǔn)確的；反饋是慢的但是準(zhǔn)確的，而且在負(fù)荷條件不明的情況下還有控制能力。這2個(gè)回路的相互補(bǔ)充，相互適應(yīng)構(gòu)成了一種十分有效的控制方案。在實(shí)踐中，前饋-反饋控制系統(tǒng)正越來(lái)越多的得到了采用，而且收到了十分顯著的效果，我們這次的實(shí)驗(yàn)也很好的證明了前饋-反饋系統(tǒng)是有效的。結(jié)束語(yǔ)下水箱前饋-反饋控制是關(guān)于過(guò)程控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，是對(duì)所學(xué)課程的深入研究。通過(guò)動(dòng)手練習(xí)，將理論與實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，讓知識(shí)從書本中解放出來(lái)。這次課程設(shè)計(jì)，讓我們多了一次接近生產(chǎn)實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)。通過(guò)一步步的思考、設(shè)計(jì)、操作、驗(yàn)證等步驟，讓我們對(duì)PLC、Step7、WinCC等過(guò)程控制的軟硬件有了更加充分的理解和掌握。同時(shí)，這個(gè)過(guò)程也離不開(kāi)老師的辛勤指教和同學(xué)們的熱情幫助。這種對(duì)于實(shí)際工程的了解和認(rèn)識(shí)，對(duì)于我們即