前馈反馈控制系统指导书
前馈控制系统共80页
T
检测变送
检测变送
31
前馈控制的选用与稳定性
实现前馈控制的必要条件是扰动量的可测及 不可控性
（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在 线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独 立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的 传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动 量的大小。
8
（1）可测：扰动量可以通过测量变送器，在 线地将其转换为前馈补偿器所能接受的信号。
（2）不可控：扰动量与控制量之间的相互独 立性，即控制通道的传递函数与扰动通道的 传递函数无关联，从而控制量无法改变扰动 量的大小。
9
前馈控制的局限性 完全补偿难以实现：扰动通道和 控制通道的数学模型很难准确求 出；即使求出，工程上难以实现。 只能克服可测不可控的扰动
1
具有滞后特性，适合 于控制通道滞后小于 干扰通道滞后
1
Kf
t
38
实现办法
G ff
(s)
GPD (s) GPC (s)
-K f
T1s 1 1 T2s 1 1
1 s
2
1 s
2
上式中的各环节可以用 标准仪表（标准模块）
实现；也可以用比值器 、加法器和一阶惯性环
节或一阶微分环节实现 ；也可以用计算机程序
GC (s)
GP (s)
e s
Y (s)
经过预估补偿，闭环传递函数特征方 程消去了es，消去了纯滞后对系统控 制品质的影响，系统品质与无纯滞后 完全相同。至于分子中的es仅仅将控
制过程曲线在时间轴上推迟一个。 49
Smith补偿的实现
用近似数学模型模拟纯滞后环节—帕德 一阶和二阶近似式
精馏塔提馏段温度前馈—反馈控制系统
中北大学课程设计说明书学生姓名：赵彭飞学号：0802034315学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程题目：精馏塔提馏段温度前馈——反馈控制系统设计指导教师：刘光璞职称: 副教授刘波职称: 副教授崔宝珍职称: 副教授2011年12月19日中北大学课程设计任务书2011/2011 学年第 1 学期学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程学生姓名：赵彭飞学号：0802034315 课程设计题目：精馏塔提馏段温度前馈——反馈控制系统设计起迄日期：20 年月日～20 年月日课程设计地点：中北大学指导教师：刘光璞、刘波、崔宝系主任：姚竹亭下达任务书日期: 2011年12月19日课程设计任务书目录1 精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述 (1)1.1概述 (1)1.2 精馏塔的扰动分析 (1)1.3 前馈-反馈控制系统 (2)2 课程设计方案论证 (3)2.1 控制方案1设计 (3)2.2 控制方案2设计 (3)2.3 控制方案3设计 (3)3 前馈-反馈控制系统设计及器件选择 (5)3.1 前馈—反馈控制系统设计 (5)3.2 参数的工程整定 (10)3.3 前馈—反馈控制系统整定 (12)4.MATLAB系统仿真 (16)4.1 matlab的简介 (16)4.2simulink控制系统仿真 (16)5 课程设计总结 (19)6 参考文献 (20)1 精馏塔提馏段前馈-反馈控制系统概述1.1概述精馏塔是实现混合物组分分离的主要设备，一般为圆柱形，内部装有供气液分离器的塔板和填料。
精馏塔的控制直接影响到工厂产品的质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。
精馏塔是一个多输入多输出的对象，它有多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求较高。
这些都给自动控制带来一定的困难，同时各塔工艺结构特点千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。
第五章(三) 前馈反馈控制技术(全)
前馈控制系统的稳定性
前馈控制是开环控制，必须要求系统中的每一个环节 要稳定。对于无自平衡能力的系统，不能单独使用前馈控 制。 事实上，只要反馈或串级控制系统的稳定的，则相应 的前馈－反馈系统或前馈－串级控制系统也是稳定的。
2014-2-26
30
前馈控制方案的选用原则
2014-2-26
2014-2-26
3
反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
2014-2-26
4
反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
2014-2-26
5
反馈控制和前馈控制的特点--反馈控制的特点
反馈控制的本质是“基于偏差来消除或抑制偏差”。如 果没有偏差出现，也就没有控制作用。 无论扰动发生在那里，总要等到引起被控量发生偏差后， 控制器才动作。故控制器的动作总是落后于扰动作用的发 生，是一种相对“不及时”的控制。
18
前馈反馈控制—前馈控制器设计
2014-2-26
19Leabharlann 前馈反馈控制—前馈控制器设计 传递函数为：
Dn(s) Un(s) R(s) E(s) U1(s) U(s) D(s) G(s) N(s)
Y ( s ) Gn ( s ) + Dn ( s )G ( s ) = N (s) 1 + D( s )G ( s )
33
数字前馈-反馈控制系统
2014-2-26
34
数字前馈-反馈控制系统—控制算法步骤
2014-2-26
35
数字前馈-反馈控制系统—控制算法步骤
2014-2-26
36
本节小结 • 反馈控制和前馈控制的特点 • 不变性原理与前馈控制器 • 前馈控制的几种结构形式 静态前馈控制系统 动态前馈控制系统 前馈－反馈控制系统 数字前馈－反馈控制算法 数字前馈－反馈控制算法步骤 前馈控制的选用原则 前馈－串级控制系统
实验7 前馈控制系统
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：
T1s 1 G ff (s) k ff T2 s 1
• 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
实验报告要求
• 根据实验结果，进行认真的总结和分析，写出实验报告
• 思考题：
1. 前馈控制器的参数整定应按什么要求？ 2. 试比较反馈控制和前馈-反馈控制在施加相同干扰时的控制效果，说
明其差别并解释原因。
3. 试比较静态反馈补偿和动态反馈补偿的补偿效果，说明其差别并解 释原因。
4. （自控专业必做）用matlab仿真前馈-反馈控制方案。
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。
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；
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）
前馈反馈控制系统
一、前馈控制系统设计1、前馈控制系统选择原则1.1扰动量可测不可控原则 (2)1.2控制系统精确辨识原则 (2)1.3被控系统自衡原则 (3)1.4优先性原则 (3)1.5经济性原则 (4)2、工程整定2.1整定的总体原则2.1.1稳定性 (4)2.1.2 快快速性 (5)2.1.3反馈控制的静差 (5)3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5)二、实例仿真 (6)2.1前馈控制系统整定 (7)2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7)2.3、反馈控制系统整定 (8)2.4、系统仿真 (9)三、................................................. 心得体会11四、................................................. 参考文献12一、前馈控制系统设计1.1前馈控制系统选择原则前馈控制系统的选择主要有一下原则：1.1.1扰动量可测不可控原则扰动量的可测性是补偿的前提条件，不可测的扰动量无法设计前馈补偿器。
如果干扰可控，则可通过控制方法消除扰动对系统的影响，而没有必要采用前馈这种迂回的方式，在被控系统“腹中”消除干扰的影响了。
例如在很多过程控制中，温度是一个主要干扰源。
温度可以测量（直接测量或间接测量），满足可测条件。
而在某些环境如实验室中，温度可以通过空调等进行调节（不满足不可控条件），将温度对控制对象的影响降到最低，这时就没有必要对温度采取前馈控制方式消除影响了。
而在很多现场情况下（如被控对象在室外等），温度不易调节（满足不可控条件），这时应米取前馈控制方式消除由于温度对系统的影响。
1.1.2控制系统精确辨识原则控制中的每一个环节的传递特性都应能精确辨识。
作为开环控制，构成前馈控制系统中的任何一个环节都应尽可能准确，因为开环控制系统中的任何一环节对系统的控制精确度都有一定影响。
相比之下，闭环控制对系统中环节的要求要“松”得多。
下水箱液位前馈-反馈控制
第一章控制系统的组成1、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。
整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1-1所示：图1-1 上位控制系统流程图控制对象总貌图如图1-2所示。
图1-2 控制对象总貌图2、系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。
系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1.被控对象被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw 电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。
水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。
每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。
储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。
模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。
做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。
在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。
盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。
第五章2 前馈-反馈控制系统
东北大学
前馈—反馈控制系统框图
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
前馈—反馈控制系统优点：
(1) 由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统， 只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控 制予以校正； (2) 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为 工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；
K 1 K ] T2 s 1
T1 1时，有 T2 (T1/T2 )-1 T T s 1 1 1 1] K f 1 T2 s 1 T2 T2 s 1
W f ( s) K f [
东北大学
常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
K T s 1 正微分器的传递函数： W正 ( s ) d 1 T1s 1 T2 s 1 K d T2 s 1
Wm (s)
o ，则动态前馈控制器为
K f (T o s 1) Ko (Tf s 1) Km (T o s 1) Tf s 1
K o (T f s 1)
W f ( s) Wo (s)
如果 T f To ，则
Wm (s) Km (s)
显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时， 动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前 馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况。
(3) 负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补 偿，因此具有一定自适应能力。
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式 前馈—反馈控制系统的局限性： (1) 前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制
阀，这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系
第五章2前馈-反馈控制系统
5.2.3 前馈控制规律
2.模拟仪表实施
• KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。
WFF (s) K F
•
KF
T1 s T2 s
1 1
型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。
不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：
m
f
(t)
1
T2 T1 T2
T2s 1
-
+
输出
+
K
t
W
f
(s)
K
f
[
T2
K s 1
1
K
]
K T1 1 T2
令K T1 1时，有 T2
Wf
(s)
K
f
[(T1/T2 )-1 T2s 1
1
T1 T2
1]
Kf
T1s 1 T2s 1
东北大学
常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
(3)前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要 受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道 的传递函数和控制通道的传递函数的变化。
东北大学
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
3．前馈-反馈控制系统
反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高 控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案.
误差分析： 由于对象干扰通道和调节通道的动态特性
不同所引起的动态偏差，这种偏差是静 态前馈控制无法避免的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四、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F1-1、F1-2、F1-7、F2-1、F2-5全开，将阀门F1-10、F1-11开至适当开度(阀F1-10>F1-11)，其余阀门都关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制
1．将SA-11挂件、SA-12挂件、SA-14挂件挂到屏上，并将SA-12挂件的通讯线接头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。
将“FT2变频器支路流量”、“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
SA-14上比值器的调节旋钮放在最小的位置。
图7-4 仪表控制下水箱液位前馈-反馈控制实验接线图
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器及涡轮流量计上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进
入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验二十一、下水箱液位前馈反馈控制系统”，进入实验二十一的监控界面。
4．设定工作点（u0，h0）。
在上位机监控界面中将智能仪表设置为“手动”输出，并将输出值设置为一个中间合适的值（例u0=50%），此操作也可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，通过调节F1-10、F1-11的开度，使下水箱的液位平衡于一个中间合适的值（例h0=8）。
6．设置智能仪表的输出值为100%，观察下水箱液位的稳态值hmax，则在以下实验中，设定值不能超过hmax。
若hmax>18，则重新设定u0=50%，转5重新调整。
7、在工作点（u0，h0）处，用开环整定法整定静态前馈放大系数K F。
即令U0保持不变，开启变频器，以较小频率给中水箱(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或系统不稳定），由小到大调节SA-14上比值器的旋钮，观察前馈补偿的作用，直到液位基本回复到h0。
静态放大系数的设置方法可用万用表量得比值器输入输出电压之比即可。
8．关闭变频器，SA-14上的调节旋钮保持不变。
9、将调节器切换到“自动”状态，按单回路的整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
10．待液位平衡后（u1，h1），打开阀门F2-4或F2-5，合上单相Ⅱ电源空气开关启动变频器支路以较小频率给中水箱(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或系统不稳定），记录下水箱液位的响应过程曲线。
11．关闭变频器，用单回路控制使回复到工作点（u1,h1）。
12、将“FT2变频器支路流量”钮子开关拨到“OFF”的位置，即去掉前馈补偿，构成双容水箱液位定值控制系统。
重复步骤10，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。
请及时拍照记录曲线！
下水箱压力传感器有问题，可改用上水箱和中水箱，阀的开闭以及被控变量应做相应改变。
请思考：用上水箱和中水箱串联作为被控对象与用中水箱和下水箱串联作为被控对象，哪个更容易控制，为什么？
用阀门F2-4和F2-5加入扰动有何区别？。