前馈控制系统设计与试验报告.docx
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前馈控制系统设计与试验报告
前馈控制系统设计与实验报告
院系：
信息科学与技术学院
组员：
自控1105高月2011014152
自控1105
刘东方2011014130
测控1101
王旭2011014342
指导教师：
江弘
2014年7月12日
一、概述3
二、课程设计任务及要求3
2.1、控制流程分析3
2.1.1目的3
2.1.2要求3
2.1.3说明4
2.1.4流程设计分析4
2.2、控制参数估算5
2.3、具体前馈控制方案设计6
2.4过程仪表选型11
2.4.1XMAF5000福光百特智能仪表11
2.4.2电磁流量计错误!
未定义书签。
2.4.3压力液位传感器错误!
未定义书签。
2.5、进行系统仿真13
2.6、数据整理、绘图、制表19
2.7、总结21
、概述
前馈控制系统是一种依据“系统不变性”原理，按照“扰动进行调节”的开环控制系统。
既然是开环，该扰动量必须是可测而不可控的。
所以，该控制系统的作用不能抑制扰动量，只能采用特定的方法补偿扰动对被控参数造成的影响。
显然，根据扰动提前进行补偿的思想是先进的，应该说比被调参数受到扰动、造成偏差后才进行调节要更及时、有效；特别是当控制通道时间常数较大，滞后较大时。
如果补偿设计得当，可以产生很好的效果，但现场不是所有的干扰都可测，并且都可以设计出合适的补偿环节。
前馈控制器是需要用户根据要求进行设计的控制器。
二、课程设计任务及要求
2.1、控制流程分析
2.1.1目的
构建前馈-反馈控制系统，并进行操作和运行该系统，深入理解前馈-反馈控制控制系统的结构与工作原理；了解、掌握前馈-反馈控制系统的投运及整定过程及步骤。
2.1.2要求
当外部干扰发生时，通过对可测干扰的补偿，更快地克服干扰的
影响，更好地保证被控参数稳定。
控制质量应好于单回路的情况。
2.1.3说明
（1）前馈-反馈系统是前馈+反馈控制系统的组合。
（2）本实验中的反馈系统部分为液位单回路控制系统；前馈部分为根据扰动流量设计的补偿环节。
（3）被控对象:
双容水箱;
被控参数:
下水箱水位H;控制参数：
进入中水箱的流量Q2;
外部干扰：
管路1流量Q1,变频器（U101）驱动水泵P1产生流量变化。
2.1.4流程设计分析
构建一个以下液位H3为被控参数单回路反馈系统，流量Q1为主要干扰量，根据Q1、Q2分别对液位H3形成干扰通道和调节通道的关系，构成前馈补偿环节，结合反馈系统，形成前馈-反馈控制系统。
为了建立前馈补偿环节模型，首先要确定控制通道和干扰通道各自对液位的一阶模型参数（包括放大系数、时间常数）。
将反馈系统投入自动，放置调好的PID参数，保证其满足反馈系统的性能要求。
分别设置前馈补偿系数Kff、T1和T2,逐步投运前馈的静、动
态补偿功能。
然后检验是否达到希望的系统要求
2.2、控制参数估算
二阶对象:
参数
K
T1
T2
t
正向输入（70
到60）
-0.75
118.3
118.3
12
负向输入（60
到70）
0.68
122.5
122.5
23
正向输入（70
到80）
0.63
95
95
20
负向输入（80
到70）
-0.6
121.5
121.5
36
平均值
0.66
114.3
114.3
22.8
Kff实验
H3
Q1読量1）
28.1
33.6
23.3
26.0
19.6
△H3=4.8
△Q1=7.6
P=25I=160D=0
2.3、具体前馈控制方案设计
1进行实验系统连线，注意其连线的意义。
本实验中，控制流量进中水箱，干扰量直接进下水箱，干扰通道与调节通道不相同。
启动水泵1，2，等待液位稳定。
2在系统稳定后，测试干扰通道的传递函数，施加一增一减的两个阶跃干扰，获得响应曲线，并求解出Kf,T2。
调节通道的参数Kc、T1在以前的实验已经获得。
3将反馈控制系统投入运行，完成无扰动切换，放置上整定好的单回路控制器参数，调整设定值，使其工作在比较合适的高度。
4放入前馈参数，运行前馈补偿环节，按照先静态，后动态补偿的方式，观察补偿效果，若需要可适当调整前馈补偿系系数。
5观察系统是否能满足希望的控制质量指标（克服干扰更快、稳定更好）
实验装置图如下：
hp^-ioe-tfa
-
QU
基于A30Q0过控实验装置构成的前馈•反愎握制宪验方案
红邑妊条标识的管這为混壹1（扰动童），眨色线条标识的管氓为瀛量2I调节童）・
实验设备连线如下图:
前馈控制系统方块图如下:
加法输出：
AOO二MV1前馈MV-偏移量
式中：
前馈MV=-Kff*（T1S+1）/（T2S+1）*Q1
Kff二Kf/Kc,T1为反馈控制通道时间常数，T2为干扰通道时间常数
在本实验中，扰动通道与调节通道并不完全相同，不但放大倍
数，时间常数也不相同。
在仅需要进行静态补偿时，只需使用Kff
参数即可。
为前馈实验专门设计的前馈补偿器及实验操作界面如下:
前馈控制实验步骤:
1.系统运行准备与启动
1）连线:
1#控制器-反馈控制器，连下液位测量输入，但其输出不直接连线到控制阀。
2#控制器，保持手动，其输出MV2连接到变频器U101,流量Q1连接到其测量端。
软件中另增加了一个前馈补偿操作器，负责进行前馈操作，参数设置和修改，及补偿运算。
偏移量的设置也在这里完成。
驱动前馈作用的扰动信号来自2#控制器的测量端。
2）界面:
操作界面上标有加法器。
前馈补偿输出信号及偏置信号
一起送到加法器，在与反馈控制信号相叠加后送AOO端口输出至控
制阀。
前馈实验界面上有进入前馈/退出前馈按钮，以选择是执行前馈-反馈控制，还是单纯反馈方案。
3）运行实验软件：
首先点击“退出前馈”按钮，确保系统的反馈控制状态有。
先置两控制器皆手动，手操作MV1使控制阀开度50%左右，启动水泵2，向中水箱注水；
稍后，启动变频器（接通变频器电源,开通变频器启动开关，打开1#电磁阀，开启手动阀QV106操纵控制器MV2变频器，向下水箱供水。
扰动输入应在20%左右。
因下水箱的进水量较大，要适度调整下水箱出口闸板，以尽量确保两个液位都在各自水箱的中部，待液位达到稳定。
2.前馈模型获取与测试
1）.获得前馈补偿模型Gff（s）先要获得干扰通道与调节通道的特性-传递函数模型及参数，这可以通过分别对调节通道和扰动通道施加阶跃测试获得。
a.采用阶跃法测取干扰通道传递函数的静态和动态参数：
改变变频器的输出10%记录对应的液位H3变化曲线。
Kf=△H3/△Q1,Tf=0.632*△H3所对应的时间。
b.采用阶跃法测取调节通道的传递函数的静态和动态参数
Kc,Tc：
改变控制器输出10%记录对应的液位H3变化过程。
Kc=
△H3/△Mv1;Tc:
△H3与过曲线拐点的切线相交点所对应的
时间段Tbc〜Tc,忽略纯滞后时间t。
调节通道的参数前面的实验已获取，直接带入釆用即可。
2）将计算得出的参数Kff=Kf/Kc,放置入前馈补偿操作器，相应的输入框中，点击“确定”。
而T1，T2先分别的设置为相等值，默认等于100。
3）运行反馈系统：
a.系统稳定，将反馈控制器1投入自动，注意：
无扰动切换。
b.将单回路反馈控制器的合适PI参数放置好，在液位达到稳定的情况下改变MV2的值，变化10%,观察纯反馈控制的过渡过程质量。
若反馈参数不合适可适当调整。
4）运行前馈系统：
a.手动设置前馈控制器初始输出值在50%左右，点击“静态”按钮。
b.设置控制器的偏移量等于当前前馈控制器的输出值。
【在此以前已经放好了前馈补偿系数Kff,T1=T2=100】。
点击前馈控制器“自动”按钮，将前馈控制器投入自动运行。
c.点击实验环境中的“前馈-反馈”按钮，将前馈补偿环节投入到与反馈环节共同作用的状态。
d.再次改变2#控制器手动输出MV2的值，加扰动10%观察前馈-反馈控制共同作用下的过渡过程。
若不太满足要求，可适当调整Kff然后再将MV2下降变化一次。
e.若效果满意且时间允许，可尝试将测试得到的、正确的T1，
T2值分别放入参数窗口，并确认。
然后点击前馈控制器面板上的“动态”按钮，加入动态前馈补偿功能。
重复前面的干扰测试，观察控制的质量是否有变。
若补偿不足可加大T1，若补偿过渡可适当增大T2或减小T1。
2.4过程仪表选型
此次液位前馈控制的实验，所用仪表有，智能控制仪表，流量计，液位传感器，离心泵,阀门以及阀门定位器，接口部分。
1，智能仪表（福光百特智能仪表）
介绍详见福光百特智能仪表说明书
2,流量计（分体式电磁流量计）
电磁流量计（EletromagneticFlowmeters，简称EMF）是20世纪50~60年代随着电
子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。
电磁流量计是
根据法拉第电磁感应定律制造的用来测量管内导电介质体积流量的感应式仪表。
流量计又分为有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。
按介质分类：
液体流量计和气体流量计。
根据现场实验介质以及实验需要，结合经济效益选择电磁流量计。
（1）就地显示式
（2）外壳为IP65防护等级
（3）因为实验设备要与计算机相连，需增加RS—485通讯口。
3,
液位传感器（差压式液位变送器）
LT-1034~20mADCAI5kPa
液位传感器液位变送器种类介绍：
浮球式液位变送器，浮简式液位变送器，静压或液位
变送器，电容式液位变送器，磁翻板液位计，超声波液位计，雷达液位计。
液位变送器主要用于工业企业生产中，密封罐，敞口罐，水泥罐，铁罐，塑料罐，地下罐等测量。
根据现场实验介质以及实验需要，结合经济效益选择差压式液位变送器
1.浮球式液位变送器：
由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。
一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。
导管内装有测量元
件，它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元
转换成4〜20mA或其它标准信号输出。
该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA,
因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。
2.浮筒式液位变送器：
是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。
浮筒式
液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。
它在工作
时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。
该变送器利用液体静压力的测量原理工作。
它
一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补
偿，最后以4〜20mA或0〜10mA电流方式输出。
3.电容式液位变送器：
适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类
导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。
电容式液位变送
器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制4〜20mA恒定电流输出为基型，经
过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1〜5V、0〜5V、0〜10mA等标准
信号。
电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。
当料位上升时，因非
导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。
变
送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。
采用脉宽
调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度
漂移等。
4.磁翻板液位变送器：
适用于铁罐，塑料罐和化工行业反应釜上的液位测量。
6.雷达液位变送器：
适用于粘度较高的介质测量。
价格相对较高。
7•差压式液位变送器：
用静压测量原理：
当液位变送器嵌入到被测液体水箱中底部时，传感器迎液面受到的压力公式为：
P=p.g.H+Po
式中：
P:
变送器迎液面所受压力p：
被测液体密度g:
当地重力加速Po:
液面上
大气压H:
变送器投入液体的深度
Po
显然，
同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：
p.g.H
通过测取压力P，可以得到液位深度。
（1）ABGAP-24000-6〜40kPa
（2）法兰接头排气/排液阀隔离膜片灌充液体
F22316不锈钢316不锈钢316不锈钢硅油
（3）M1O〜100%线性指示表头
L9.Ctj
（4）B3管装平支架
（5）D2法兰侧面排气/排液阀在下部
（6）E2防爆电缆接头
（7）G2焊管接头
（8）d隔爆
2.5、进行系统仿真
一.仿真参数：
干扰通道传递函数：
Gpd（w）=
前馈补偿环节：
（Kff=1.5）G（ff）=-kff
控制通道传递函数：
（transportdelaytime=22.8sT仁T2=114.3sK=0.66）
Gpd（s）=
PID参数：
Kp=3.1Td=12sTi=100s
（实际）实验参数：
K=1/30Ti=160s
Td=0s
1•单回路PID整定（衰减比4:
1）
1/
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2•只加干扰，无前馈补偿（衰减比4.09:
1）
3•加干扰，加前馈补偿（衰减比3.98:
1）
2.6、数据整理、绘图、制表
2.6.1实验数据汇总二阶对象：
参数
K
T1
T2
t
正向输入（70
到60）
-0.75
118.3
118.3
12
负向输入（60
到70）
0.68
122.5
122.5
23
正向输入（70
到80）
0.63
95
95
20
负向输入（80
到70）
-0.6
121.5
121.5
36
平均值
0.66
114.3
114.3
22.8
最终取值
0.66
114.3
114.3
22.8
GPD（S）=
一阶干扰通道对象特性
K=（y（s）-y（0））/△x=（21.2-15.3）/10=0.59t=4s
因为y（T）=0.632y（s）
所以T=80
G（s）=0.59/（80s+1）
K=0.59
T=80
Kff实验
H3
Q1（流量1）
28.1
33.6
23.3
26.0
19.6
△H3=4.8
△Q1=7.6
Kf=△H3/△Q1=4.8/7.6=0.6316
Tf=0.6316*T（△H3）=0.632*13=1.89
Kff二Kf/Kc=0.6316/0.37=1.7
偏置量=53.0
（参考值为1.5）
100t+1
Gff=-1.7
WOs+1
PID整定实验
P=25
I=160
D=0
Kff仿真实验kff=1.5
PID仿真实验kp=3.1Td=12sTi=100
2.7总结此次液位的前馈控制，涉及了控制工程和控制原理以及仿真软件的知识，充分的展现了学科之间的交叉运用的能力。
在完成此次设计报告之中，要求各组之间协调完成，并要求没组的各个组员之间配合完成，考研了我们团队合作的能力。
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