1、過程控制工程實驗實驗七 前饋-反饋控制系統 實驗目的與要求實驗目的：通過構建前饋-反饋控制系統，并對該系統進行操作和運行，進一步理解前饋-反饋控制系統的構成和工作原理；并通過體會前饋-反饋控制系統的投運、調試及整定過程，加深對該系統的理解和認識被控對象：串聯的雙容水箱作為一個對象；被控參數：下水箱水位H3；控制參數：進入中水箱的流量Q2；主要外部干擾：流量Q1，由變頻器（U101）驅動水泵P1改變控制要求：保證水位H3具有較高的穩定性和穩態精度；當外部干擾發生時通過對干擾的測量和補償，更及時地克服干擾的影響 ，保證被控參數的穩定，克服干擾的時間也顯著地優于單純反饋時的情況 前饋控制系統前饋控制

2、系統是一種依據“系統不變性”原理，按照擾動“進行調節” 的開環控制系統既然是開環，該擾動量必須是可測而不可控的。所以，該控制系統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造成的影響顯然，根據擾動提前進行補償的思想是先進的，應該說比被調參數受到擾動、造成偏差后才進行調節要更及時、有效；特別是當控制通道時間常數較大、滯后較大時如果補償環節設計得當，可以產生很好的效果，但現場不是所有的干擾都可測，并且都可以設計出合適的補償環節前饋控制器是需要由用戶根據要求進行設計的控制器 前饋-反饋控制系統在實際應用中，系統內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，很難應付各種復雜的情況。所以實用中，通常都是組成前饋反饋復合型的控制系統，由前饋系統處理可以檢測的、變化頻繁、對系統影響較大的擾動，而其他的各種因素（包括前饋不能完全補償的部分）所引起被控參數的變化則由反饋系統來克服前饋補償方案（補償模型）可分為靜態補償和動態補償，如果主要為克服擾動帶來的靜態誤差，僅采用靜態補償就可以了，而對于那些既要保證靜態精度，又要盡量減小動態誤差的場合，才引入動態補償 前饋-反饋控制系統前饋補償環節模型GPD(s)為干擾通道傳遞函數，GPC(s)為調節通道傳遞函數補償環節的傳遞函數形式為：干擾通道的傳遞函數與調節通道的傳遞函數之比實際中的各控制系統擾動通道與調節通

4、道傳遞函數各不相同，它們的傳遞函數形式也會多種多樣；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雜，會造成表達、求解等一系列困難，所以若純滯后時間與對象的時間常數相比很小，且對象具有自衡能力，通常僅采用一階慣性環節的形式處理)()()(sGsGsGPCPDff 前饋-反饋控制系統所以前饋補償環節的傳遞函數一般都近似表達為：式中：kff=kf /kc 是干擾通道與控制通道的放大倍數之比，叫做靜態前饋的補償系數kf 、T1是干擾通道的放大倍數和時間常數， kc 、T2是調節通道的放大倍數和時間常數在僅考慮靜態補償時，只需獲得kff 即可121( )1ffffTsGskT s 實驗

5、方案構建一個以下水箱液位H3為被控參數的單回路反饋系統，流量Q1為主要干擾量，根據Q1、Q2分別對液位H3形成干擾通道和調節通道的關系，構成前饋補償環節，結合反饋系統，形成前饋-反饋控制系統為了建立前饋補償環節模型，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放大系數、時間常數將反饋系統投入自動，放置調好的PID參數，保證其滿足反饋系統的性能要求分別設置前饋補償系數kff 、T1和T2，逐步投運前饋的靜、動態補償功能，然后檢驗是否達到希望的系統要求 實驗方案紅色線條標識的管道為流量1（擾動量），藍色線條標識的管道為流量2（調節量） 實驗內容1.進行實驗系統連線，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，干擾通道與調節通道不相同。啟動水泵1、2，等待液位穩定；2.在系統穩定后，測試干擾通道的傳遞函數，施加一增一減的兩個階躍干擾，獲得響應曲線，并求解出kff 、T1，調節通道的參數kc、T2在以前的實驗已經獲得；3.將反饋控制系統投入運行，完成無擾動切換，放置上整定好的單回路控制器參數，調整設定值，使其工作在比較合適的高度；4.放入前饋參數，運行前饋補償環節，按照先靜態、后動態補償的方式，觀察補償效果，若有需要，可適當調整前饋補償系數；5.觀察系統是否能滿足希望的控制質量指標（克服干擾更快、穩定性更好)。 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， T2為干擾通道時間常數本實驗中，擾動通道與調節通道不完全相同，不但放大倍數不同，時間常數也不相同。在僅需要進行靜態補償時，只需使用kff 參數即可Gff 及ADDADDAO0 偏移量 -1#PID-MV1前饋MV2 前饋-反饋控制系統實驗操作界面 系統運行準備與啟動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，負責前饋操作、參數設置和修改及補償運算，偏移量的設置也在這里完成。前饋-反饋控制器的輸出經AO0端口送至調節閥；2.界面：操作界面上標有加法器，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，可以選擇是執行前饋-反饋控制，還是單純反饋方案； 系統運行準備與啟動3.運行實驗軟件：首先點擊“退出前饋”按鈕，確保系統的反饋控制狀態有效。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，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。擾動輸入應在20%左右。因下水箱的進水量較大，要適度調整下水箱出口閘板，以盡量確保兩個液位都在各自水箱的中部，待液位達到穩定。 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節通道的傳遞函數模型及參數，可分別對調節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的靜態和動態參數：改變變頻器的輸出10%，記錄對應的液位H3變化曲線。Kf =H3/Q1，T1=0.632*H3所對應的時間；

10、2.采用階躍法測取調節通道的傳遞函數的靜態和動態參數：改變控制器輸出10%，記錄對應的液位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的時間段TBCT2（如下圖，忽略純滯后時間）；提示：調節通道的參數在前面的實驗中已獲取，可直接帶入3.將計算得出的參數Kff =Kf /Kc，放入前饋補償操作器相應的輸入框中，點擊“確定”。而T1、T2先分別設置為相等的數值，默認取100。 運行反饋系統1.系統穩定后，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參數放置好，在液位達到穩定的情況下改變MV2的值，變化10%，觀察純反饋控制的過渡過程質量。若反

11、饋參數不合適可適當調整。 運行前饋系統1.手動設置前饋控制器初始輸出值在50%左右，點擊“靜態”按鈕；2.設置控制器的偏移量等于當前前饋控制器的輸出值。（在此以前已經放好了前饋補償系數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.點擊實驗環境中的“前饋-反饋”按鈕，將前饋補償環節投入到與反饋環節共同作用的狀態；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，可適當調整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值分別放入參數窗口，并確認。然后點擊前饋控制器面板上的“動態”按鈕，加入動態前饋補償功能。重復前面的干擾測試，觀察控制的質量是否有變。若補償不足可加大T1 ，若補償過度可適當增大T2或減小T1 。 實驗報告要求