實驗7 前饋控制系統(tǒng)

1、過程控制工程實驗實驗七 前饋-反饋控制系統(tǒng) 實驗?zāi)康呐c要求實驗?zāi)康模和ㄟ^構(gòu)建前饋-反饋控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行操作和運行，進一步理解前饋-反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理；并通過體會前饋-反饋控制系統(tǒng)的投運、調(diào)試及整定過程，加深對該系統(tǒng)的理解和認(rèn)識被控對象：串聯(lián)的雙容水箱作為一個對象；被控參數(shù)：下水箱水位H3；控制參數(shù)：進入中水箱的流量Q2；主要外部干擾：流量Q1，由變頻器（U101）驅(qū)動水泵P1改變控制要求：保證水位H3具有較高的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度；當(dāng)外部干擾發(fā)生時通過對干擾的測量和補償，更及時地克服干擾的影響 ，保證被控參數(shù)的穩(wěn)定，克服干擾的時間也顯著地優(yōu)于單純反饋時的情況 前饋控制系統(tǒng)前饋控制

2、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環(huán)節(jié)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)前饋控制器是需要由用戶根據(jù)要求進行設(shè)計的控制器 前饋-反饋控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，系統(tǒng)內(nèi)外存在多種不可測的擾動，前饋模型本身的精度也有限，如果僅靠前饋難以做到完全

3、補償，很難應(yīng)付各種復(fù)雜的情況。所以實用中，通常都是組成前饋反饋復(fù)合型的控制系統(tǒng)，由前饋系統(tǒng)處理可以檢測的、變化頻繁、對系統(tǒng)影響較大的擾動，而其他的各種因素（包括前饋不能完全補償?shù)牟糠郑┧鸨豢貐?shù)的變化則由反饋系統(tǒng)來克服前饋補償方案（補償模型）可分為靜態(tài)補償和動態(tài)補償，如果主要為克服擾動帶來的靜態(tài)誤差，僅采用靜態(tài)補償就可以了，而對于那些既要保證靜態(tài)精度，又要盡量減小動態(tài)誤差的場合，才引入動態(tài)補償 前饋-反饋控制系統(tǒng)前饋補償環(huán)節(jié)模型GPD(s)為干擾通道傳遞函數(shù)，GPC(s)為調(diào)節(jié)通道傳遞函數(shù)補償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)形式為：干擾通道的傳遞函數(shù)與調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)之比實際中的各控制系統(tǒng)擾動通道與調(diào)節(jié)通

4、道傳遞函數(shù)各不相同，它們的傳遞函數(shù)形式也會多種多樣；特別有可能是高階的、非線性的或帶有純滯后項的但若模型形式過于復(fù)雜，會造成表達(dá)、求解等一系列困難，所以若純滯后時間與對象的時間常數(shù)相比很小，且對象具有自衡能力，通常僅采用一階慣性環(huán)節(jié)的形式處理)()()(sGsGsGPCPDff 前饋-反饋控制系統(tǒng)所以前饋補償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)一般都近似表達(dá)為：式中：kff=kf /kc 是干擾通道與控制通道的放大倍數(shù)之比，叫做靜態(tài)前饋的補償系數(shù)kf 、T1是干擾通道的放大倍數(shù)和時間常數(shù)， kc 、T2是調(diào)節(jié)通道的放大倍數(shù)和時間常數(shù)在僅考慮靜態(tài)補償時，只需獲得kff 即可121( )1ffffTsGskT s 實驗

5、方案構(gòu)建一個以下水箱液位H3為被控參數(shù)的單回路反饋系統(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)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)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(dá)到希望的系統(tǒng)要求 實驗方案紅色線條標(biāo)識的管道為流量1（擾動量），藍(lán)色線條標(biāo)識的管道為流量2（調(diào)節(jié)量） 實驗內(nèi)容1.進行實驗系統(tǒng)連線，注意其連線的意義。本實驗

6、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；2.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kff 、T1，調(diào)節(jié)通道的參數(shù)kc、T2在以前的實驗已經(jīng)獲得；3.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；4.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，若有需要，可適當(dāng)調(diào)整前饋補償系數(shù)；5.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)定性更好)。 實驗連線AI0AO0LT103AI1FT101U

7、101FV101 前饋-反饋控制器加法輸出加法輸出：AO0 =MV1+前饋MV - 偏移量式中：前饋MV= - kff * (T1s+1)/(T2s+1)* Q1 kff = 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)本實驗中，擾動通道與調(diào)節(jié)通道不完全相同，不但放大倍數(shù)不同，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Gff 及ADDADDAO0 偏移量 -1#PID-MV1前饋MV2 前饋-反饋控制系統(tǒng)實驗操作界面 系統(tǒng)運行準(zhǔn)備與啟動1.連線：1#控制器為反饋控制器，連下液位測量輸入，但其輸出不直接連到控制閥，而是連接到AI0端口，送入軟件

8、。2#控制器保持手動，其輸出MV2連到變頻器U101。干擾流量Q1連接到AI0端口，送入軟件。軟件中增加一個前饋補償操作器，負(fù)責(zé)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。前饋-反饋控制器的輸出經(jīng)AO0端口送至調(diào)節(jié)閥；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，與反饋控制信號疊加后送AO0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，可以選擇是執(zhí)行前饋-反饋控制，還是單純反饋方案； 系統(tǒng)運行準(zhǔn)備與啟動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)有效。先置兩控制器皆手動，手動操作MV1，使控制閥開度50%左右，

9、啟動水泵2，向中水箱注水；4.稍后，啟動變頻器（接通變頻器電源，開通變頻器啟動開關(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(dá)到穩(wěn)定。 前饋模型獲取與測試 要獲得前饋補償模型Gff (s)，先要獲得干擾通道與調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)模型及參數(shù)，可分別對調(diào)節(jié)通道和擾動通道施加階躍測試獲得。1.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，T1=0.632*H3所對應(yīng)的時間；

10、2.采用階躍法測取調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)的靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)：改變控制器輸出10%，記錄對應(yīng)的液位H3變化過程。Kc=H3/MV1；T2為H3與過曲線拐點的切線相交點所對應(yīng)的時間段TBCT2（如下圖，忽略純滯后時間）；提示：調(diào)節(jié)通道的參數(shù)在前面的實驗中已獲取，可直接帶入3.將計算得出的參數(shù)Kff =Kf /Kc，放入前饋補償操作器相應(yīng)的輸入框中，點擊“確定”。而T1、T2先分別設(shè)置為相等的數(shù)值，默認(rèn)取100。 運行反饋系統(tǒng)1.系統(tǒng)穩(wěn)定后，將反饋控制器1投入自動；注意：無擾動切換2.將單回路反饋控制器的P、I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

11、饋參數(shù)不合適可適當(dāng)調(diào)整。 運行前饋系統(tǒng)1.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；2.設(shè)置控制器的偏移量等于當(dāng)前前饋控制器的輸出值。（在此以前已經(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；3.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)；4.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；5.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(rèn)。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 ，若補償過度可適當(dāng)增大T2或減小T1 。 實驗報告要求