实验7 前馈控制系统

1、过程控制工程实验实验七 前馈-反馈控制系统 实验目的与要求实验目的：通过构建前馈-反馈控制系统，并对该系统进行操作和运行，进一步理解前馈-反馈控制系统的构成和工作原理；并通过体会前馈-反馈控制系统的投运、调试及整定过程，加深对该系统的理解和认识被控对象：串联的双容水箱作为一个对象；被控参数：下水箱水位H3；控制参数：进入中水箱的流量Q2；主要外部干扰：流量Q1，由变频器（U101）驱动水泵P1改变控制要求：保证水位H3具有较高的稳定性和稳态精度；当外部干扰发生时通过对干扰的测量和补偿，更及时地克服干扰的影响 ，保证被控参数的稳定，克服干扰的时间也显著地优于单纯反馈时的情况 前馈控制系统前馈控制

2、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环节设计得当，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由用户根据要求进行设计的控制器 前馈-反馈控制系统在实际应用中，系统内外存在多种不可测的扰动，前馈模型本身的精度也有限，如果仅靠前馈难以做到完全

3、补偿，很难应付各种复杂的情况。所以实用中，通常都是组成前馈反馈复合型的控制系统，由前馈系统处理可以检测的、变化频繁、对系统影响较大的扰动，而其他的各种因素（包括前馈不能完全补偿的部分）所引起被控参数的变化则由反馈系统来克服前馈补偿方案（补偿模型）可分为静态补偿和动态补偿，如果主要为克服扰动带来的静态误差，仅采用静态补偿就可以了，而对于那些既要保证静态精度，又要尽量减小动态误差的场合，才引入动态补偿 前馈-反馈控制系统前馈补偿环节模型GPD(s)为干扰通道传递函数，GPC(s)为调节通道传递函数补偿环节的传递函数形式为：干扰通道的传递函数与调节通道的传递函数之比实际中的各控制系统扰动通道与调节通

4、道传递函数各不相同，它们的传递函数形式也会多种多样；特别有可能是高阶的、非线性的或带有纯滞后项的但若模型形式过于复杂，会造成表达、求解等一系列困难，所以若纯滞后时间与对象的时间常数相比很小，且对象具有自衡能力，通常仅采用一阶惯性环节的形式处理)()()(sGsGsGPCPDff 前馈-反馈控制系统所以前馈补偿环节的传递函数一般都近似表达为：式中：kff=kf /kc 是干扰通道与控制通道的放大倍数之比，叫做静态前馈的补偿系数kf 、T1是干扰通道的放大倍数和时间常数， kc 、T2是调节通道的放大倍数和时间常数在仅考虑静态补偿时，只需获得kff 即可121( )1ffffTsGskT s 实验

5、方案构建一个以下水箱液位H3为被控参数的单回路反馈系统，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 实验方案红色线条标识的管道为流量1（扰动量），蓝色线条标识的管道为流量2（调节量） 实验内容1.进行实验系统连线，注意其连线的意义。本实验

6、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kff 、T1，调节通道的参数kc、T2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，若有需要，可适当调整前馈补偿系数；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、稳定性更好)。 实验连线AI0AO0LT103AI1FT101U

7、101FV101 前馈-反馈控制器加法输出加法输出：AO0 =MV1+前馈MV - 偏移量式中：前馈MV= - kff * (T1s+1)/(T2s+1)* Q1 kff = kf / kc , T1为反馈控制通道时间常数， T2为干扰通道时间常数本实验中，扰动通道与调节通道不完全相同，不但放大倍数不同，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Gff 及ADDADDAO0 偏移量 -1#PID-MV1前馈MV2 前馈-反馈控制系统实验操作界面 系统运行准备与启动1.连线：1#控制器为反馈控制器，连下液位测量输入，但其输出不直接连到控制阀，而是连接到AI0端口，送入软件

8、。2#控制器保持手动，其输出MV2连到变频器U101。干扰流量Q1连接到AI0端口，送入软件。软件中增加一个前馈补偿操作器，负责前馈操作、参数设置和修改及补偿运算，偏移量的设置也在这里完成。前馈-反馈控制器的输出经AO0端口送至调节阀；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，与反馈控制信号叠加后送AO0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，可以选择是执行前馈-反馈控制，还是单纯反馈方案； 系统运行准备与启动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效。先置两控制器皆手动，手动操作MV1，使控制阀开度50%左右，

9、启动水泵2，向中水箱注水；4.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。 前馈模型获取与测试 要获得前馈补偿模型Gff (s)，先要获得干扰通道与调节通道的传递函数模型及参数，可分别对调节通道和扰动通道施加阶跃测试获得。1.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，T1=0.632*H3所对应的时间；

10、2.采用阶跃法测取调节通道的传递函数的静态和动态参数：改变控制器输出10%，记录对应的液位H3变化过程。Kc=H3/MV1；T2为H3与过曲线拐点的切线相交点所对应的时间段TBCT2（如下图，忽略纯滞后时间）；提示：调节通道的参数在前面的实验中已获取，可直接带入3.将计算得出的参数Kff =Kf /Kc，放入前馈补偿操作器相应的输入框中，点击“确定”。而T1、T2先分别设置为相等的数值，默认取100。 运行反馈系统1.系统稳定后，将反馈控制器1投入自动；注意：无扰动切换2.将单回路反馈控制器的P、I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

11、馈参数不合适可适当调整。 运行前馈系统1.手动设置前馈控制器初始输出值在50%左右，点击“静态”按钮；2.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；3.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；4.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；5.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 ，若补偿过度可适当增大T2或减小T1 。 实验报告要求