下水箱液位前馈-反馈控制

下水箱液位前馈下水箱液位前馈-反馈控制系统课程设计#在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。本实验系统的结构图和方框图如图4-1所示。图4-1下水箱液位前馈-反馈控制系统(a)结构图(b)方框图由图可知，扰动F(s)得到全补偿的条件为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上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制，显然只能近似地得到满足,即前馈控制不能全部消除扰动对被控制量的影响，但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响，则认为前馈控制已起到了应有的作用。为使补偿器简单起见,G(s)用比例器来实现，如图其值按本章式(4-1)来计算。F静态放大系数K的整定方法。F开环整定法开环整定法是在系统断开反馈回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数影响的一种整定法。整定时，K由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的F作用，直至被控参数基本回到给定值上，即实现完全补偿。此时的静态参数即为最佳的整定参数值K,实际上K值符合下式关系，即FFKK=-f(4-2)F-0式中：K、K分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。f0开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差。前馈-反馈整定法

图4-2前馈-反馈系统参数整定方框图在图4-2所示系统反馈回路整定好的基础上，先合上开关K,使系统为前馈-反馈控制系统，然后由小到大调节K值，可得到在扰动f(t)作用下如图4-3F所示的一系列响应曲线，其中图4-3(b)所示的曲线补偿效果最好。T*T*T1(a)欠补偿(a)欠补偿(b)补偿合适(c)过补偿图4-3前馈-反馈系统卡的整定过程利用反馈系统整定K值F待图7-2所示系统运行正常后，打开开关K,则系统成为反馈控制。1、待系统稳定运行，并使被控参数等于给定值时，记录相应的扰动量F和0调节器输出u。02、人为改变前馈扰动，使F变为F，待系统进入稳态，且被控参数等于给01定值时，记录此时调节器的输出值U。13、按下式计算K值F(4-3)u—u(4-3)K二—o

FF—F10实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图4-4所示。控制系统流程图图4-4实验控制系统流程图本实验主要涉及三路信号，其中两路为现场测量信号，它们分别是下水箱液位和变频器支路的管道流量；另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的变频器支路的管道流量信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2DP的传送。本实验中的执行机构（阀门定位器）和下水箱液位检测装置（压力变送器）均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2DP发出的控制信号经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。实验内容与步骤本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门Fl-1、Fl-2、Fl-7、F2-1、F2-4全开，将阀门Fl-10、F1-11开至适当开度（阀F1-10>F1-11），其余阀门都关闭。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面。2、在实验主界面中选择本实验项即“下水箱液位前馈-反馈控制实验”系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图4-5所示。

|褥Win匸匸|褥Win匸匸-Runtime^3、在实验界面中点击“启动变频器”按钮启动变频器。并在变频器频率设定输入框中给变频器一个适当的工作频率。4、合上三相电源空气开关，使磁力驱动泵上电打水。5、按单回路的整定方法整定调节器参数，并按整定的参数进行调节器设定。按前面静态放大系数的整定方法整定前馈放大系数kf。F6、待液位稳定于给定值时，打开阀门F2-4或F2-5，给变频器设定较小频率给中水箱（或下水箱）打水加干扰（要求扰动量为控制量的5%〜15%，干扰过大可能造成水箱中水溢出），观察计算机记录下的水箱液位的响应过程曲线。7、将前馈补偿去掉，即构成双容液位定值控制系统，重复步骤6,用计算机记录系统的响应曲线，比较该曲线与加前馈补偿的实验曲线有什么不同。第五章实验结果和分析实验图下水箱PI的前馈--反馈控制11测:fr®(PV)输出值(0P；变频器频至.用”用0發区D.003.00前馈系数Tr«ndinth*forAgrotiridlspl实验梳程实时曲践数据报表返冋主菜单十九.下水箱液位前馈■反馈控制实验14.5%100500048074598-43B9-4110^397V37&2'355l3：33443135292B-271.7-25询2299；2090109V1672^146312514104.51836^627141.8-茨90012/14/102:5100RS5?00PM5300E35400PM:55:00讯弱00H057:00PI45800讯5000P«0000PM设定值＜SV)下水箱PI的前馈--反馈控制实验十九5下水箱液位前馈■反馈控制实验11变频器期至.1:3S:Q0PRI4Q00PI®41:00PM4200PW43t00PM44-00PM45:00P豔0&QQ用47：Q0PMt4800刊20.90012/14/10100itirTi50004907459843B9397137EL2355l333443135292E271.72506229920SD1S&1167J146312541045@36设定值(SV)Trfln.dinth«forAgrotindlspl实验流程I输出值(OP)13.0死区0.00前馈系数姿时血我l「散据报丢I逅冋上菓单下水箱PI的前馈--反馈控制实验十九、下水箱液位前馈-反馈控制实验设定值＜SV)变坝器频至.459843B941ao355.333443135292E27172299309014£3397137B2104563Sieai1B72100mm0012/14/101:56设定值＜SV)变坝器频至.459843B941ao355.333443135292E27172299309014£3397137B2104563Sieai1B72100mm0012/14/101:5600FH5700PM:5e00PH5&00PM:0000Fig0100P厝陰00Ptt0300Ptt04;00P«0500PM定

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参30%IriTQndinth*fwagroundspL实验流程11实时曲线1数据报表1逅回主菓单下水箱PID的前馈--反馈控制实验十九、下水箱液位前馈-反45SLB14389柚0」soao：4807^旦测呈值(PV)输出值(OP)变频器频率.0死区0.003.00前馈系数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%设定值(SV)实验流程1实时曲线1数据报表返口主菜单下水箱PID的前馈--反馈控制比例度代)输出上限输岀下限Trandinth«foragroundspl设定值(SV)100积猪间微帶间定

整

数参测星憤(PV)变坝器频亜.0.0rnrr变坝器频亜.0.01100mrT1.Q20000.020000.0200000.00输出值(OP；比鍍用比裟比例度代)输出上限输岀下限Trandinth«foragroundspl设定值(SV)100积猪间微帶间定

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数参测星憤(PV)变坝器频亜.0.0rnrr变坝器频亜.0.01100mrT1.Q20000.020000.0200000.00输出值(OP；比鍍用比裟;用死区前馈系数0.00实验菰程实时曲线数据报表返回主菜单下水箱PID的前馈--反馈控制分析通过上位机改变不同的参数得到了上面的6个下水箱液位前馈反馈控制的历史曲线图。在前馈系数不变的情况下我们可以看出改变P,I,D三个参数可以让我们获得不同的历史曲线。其中参数不变的有设定值和变频器频率的数值分别设为100mm和30%。输出上限和输出下限分别为200.00和0.00。死区时间不设定。下面从PI和PID分别控制来说明控制的效果。PI的下水箱液位前馈-反馈控制：首先关闭微分作用也就是PID当中的D这个参数让它对系统无影响。按照对一般的系统测试我们先设定比例值（P）通常为0.3-10.0,积分值（I）越大越好,通过不断的调整比例值和积分值就可以达到很好的响应曲线，是系统更快更稳的达到设定值。前三幅图片即为PI控制的下水箱液位前馈-反馈控制。我们可以看出比例值（P）越大，系统达到稳定的时间就越短，反之则时间越长，但是比例值（P）太大也会引起系统的严重超调进而导致系统不能达到预期效果。积分值（I）的作用是使系统无偏差即消除系统的残差是系统达到预期效果。积分时间要根据不同的系统来决定，对于液位控制当然是越大越好，这样效果很好，但是时间会很长，综上所述我们可以选择一个适当的比例值（P）和积分值（I）是系统完全满足我们的需要。PID的下水箱液位前馈-反馈控制：和PI控制一样先设定比例值（P）为0.3~10.0之间的一个适当值，积分值（I）越大越好，微分值（D）也是越大越好,通过不断的修改这3个值我们就能得到我们想要的曲线达到预期的效果。与PI控制不同的是这里有一个微分时间（D），它的作用是减小超调，因为如果超调量太大的话会产生不能预知的不良反应，对系统有很大的影响。所以微分时间的选择也是有要求的，通过对后三幅图的研究可以看出微分时间也应该选择比较大的数值，但它是以牺牲系统能达到稳定的时间为代价的。因此我们要根据工程的需要来确定它的数值。接下来我们来研究前馈系数对系统的影响，我们加上前馈系数是因为要让系统更快的达到稳定。我们通常使用的反馈控制对于变化幅度较大而且十分频繁的负荷扰动往往是不能满足要求的。而前馈控制却能把影响过程的主要扰动因素预先测量出来，再根据对象的平衡条件，计算出适应该扰动的调节量然后进行控制。前馈控制与反馈控制之间存在着一个根本的差别，即前馈控制是开环控制而不是闭环控制，它的控制效果将不能通过反馈来加以检验；而而反馈控制是闭环控制，它的控制效果却能通过反馈加以检验。我们还可以看出加了前馈的系统是快的，有智能的和敏感的，但是它是不准确的；反馈是慢的但是准确的，而且在负荷条件不明的情况下还有控制能力。这2个回路的相互补充，相互适应构成了一种十分有效的控制方案。在实践中，前馈-反馈控制系统正越来越多的得到了采用，而且收到了十分显著的效果，我们这次的实验也很好的证明了前馈-反馈系统是有效的。结束语下水箱前馈-反馈控制是关于过程控制系统的学习，是对所学课程的深入研究。通过动手练习，将理论与实际生产实际联系起来，让知识从书本中解放出来。这次课程设计，让我们多了一次接近生产实习的机会。通过一步步的思考、设计、操作、验证等步骤，让我们对PLC、Step7、WinCC等过程控制的软硬件有了更加充分的理解和掌握。同时，这个过程也离不开老师的辛勤指教和同学们的热情帮助。这种对于实际工程的了解和认识，对于我们即