实验三液位前馈-反馈复合控制
液位前馈控制课程设计报告
摘要液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。
对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。
而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。
目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。
具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。
目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。
本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。
而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。
一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。
对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。
引入前馈控制可以获得显著的控制效果。
前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。
如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。
关键词：液位控制前馈控制单容水箱PLC目录1概述单容水箱在工业控制中应用非常广泛。
单容水箱的液位控制，就是控制进水量，使其与出水量将配合，保持液位在工艺要求的范围内。
在单容水箱的基础上，加上旁路干扰支路，模拟进水量的扰动，从而导致液位出现超调，被控量在相应时间上落后，由于单回路控制在时间上滞后较大，所以扰动出现后的调节时间较长。
前馈控制是按照扰动的大小和方向，产生相应的补偿作用，削弱扰动对被控过程的影响，从而减小超调，甚至没有超调。
下水箱液位前馈反馈控制系统实验
下水箱液位前馈反馈控制系统实验一、实验目的1、学习前馈-反馈控制的原理。
2、了解前馈-反馈控制的特点。
3、掌握前馈-反馈控制的设计。
二、实验设备A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。
三、实验原理1、控制原理前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。
在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。
因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。
但是前馈控制是开环控制。
其控制效果需要通过反馈加以检验。
前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。
如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。
如图6-12所示。
设法保持下水箱液位，是用两个水泵注水。
图6-12 前馈－反馈控制系统原理图如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。
而不需要经过调节器。
如果没有反馈，就是开环控制，这个控制是有余差的。
增加反馈通道，使用PI 进行控制，如图6-12所示。
我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。
前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Qu=dF 。
也就是两个流量的和保持稳定。
但是有两个条件，一是准确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀开度与流量对应关系1K ，如图6-13所示：图6-13 调节阀开度与流量比例关系2、测量与控制端连接表40806020调节阀FV101 AO03、实验方案被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。
首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。
然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。
4、参考结果在前馈-反馈控制下的加法器系数K取不同值时的控制曲线如图6-14—6-17所示：图6-14 K=0时前馈－反馈控制曲线图6-15 K=1时前馈－反馈控制曲线图6-16 K=2时前馈－反馈控制曲线图6-17 K=3时前馈－反馈控制曲线四、实验要求1、设计前馈－反馈控制系统。
题目12 下水箱液位前馈-反馈控制
题目12 下水箱液位前馈-反馈控制一、课程设计目的1、通过本实验进一步了解液位前馈-反馈控制系统的结构与原理。
2、掌握前馈补偿器的设计与调试方法。
3、掌握前馈-反馈控制系统参数的整定与投运方法。
二、课程设计使用的实验设备1. THJ-FCS 型高级过程控制系统实验装置。
2. 计算机及相关软件。
三、实验工作原理本实验的被控制量为下水箱的液位，主扰动量为变频器支路的流量。
本实验要求下水箱液位稳定至给定值，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，它与给定量比较后产生的差值为调节器的输入，其输出控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。
而扰动量经过前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，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12-1所示。
图12-1 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 f (s)+F(s)G F (s)G 0(s)=0G F (s)=-)()(0s G s G f (12-1)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 F (s)用比例器来实现，如图其值按本章式(12-1)来计算。
四、静态放大系数K F 的整定方法（一）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 F 由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的作用，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 F ，实际上K F 值符合下式关系，即K F ＝f K K (12-2)式中：K f 、K 0分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。
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。
前馈反馈控制系统指导书
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。
下水箱液位前馈-反馈控制 (2)
目录第一章绪论 (3)第二章课程设计主要仪器的介绍 (4)1.1 PLC的简介 (4)1.1.1 PLC的组成 (4)1.1.2 CPU的构成 (6)1.2 PLC的工作原理 (6)1.3PLC的外围接线 (8)2.1变频器的介绍 (8)2.1.1变频器的选择 (8)2.2 控制面板图 (9)2.4变频器的快速设置 (11)3.1电机的介绍 (12)3.1.1三项异步电动机调速 (12)第三章 PLC变频调速系统的设计与调试 (14)1 系统的接线 (14)1.1主回路接线 (14)1.2 控制回路接线 (14)2 外部接线图 (14)3 系统方案设计 (15)3.1 I/O地址分配表 (15)3.2梯形图程序 (16)4 软件系统的调试 (17)5 实验结果分析 (17)第四章控制系统的组成 (18)1系统简介 (18)2系统组成 (19)3电源控制台 (22)4总线控制柜 (22)5系统特点 (22)6装置的安全保护体系 (23)第五章下位机软件中的硬件配置和程序结构 (24)1 STEP 7简介 (24)2 STEP 7的硬件配置和程序结构 (24)第六章上位机组态软件简介 (28)1 WINCC 概述 (28)2 WINCC的通讯连接和画面组态方法 (28)第七章 PROFIBUS功能简介 (32)第八章下水箱液位前馈反馈控制 (33)实验内容与步骤 (35)第九章下水箱液位前馈反馈控制实验程序 (37)第十章实验结果和分析 (44)10.1实验图 (44)10．2分析 (46)第十一章结束语 (49)11.1 基于PLC控制的变频调速设置 (49)11.2下水箱前馈-反馈控制 (49)第十二章参考文献 (50)12.1基于PLC控制的变频调速设置 (50)12.2下水箱前馈-反馈控制 (50)第一章绪论随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。
前馈及复合控制
前馈及复合控制一、前馈及复合控制的基本概念在前面讨论的控制系统中，控制器都是按被控参数或其反馈值与给定值的偏差大小进行控制的，这种控制系统称为反馈控制系统.对于反馈控制系统无论是什么干扰引起被控参数的变化，控制器均可根据偏差进行调节，这是其优点；但从干扰产生到被控量发生变化以及偏差产生到控制作用产生，再由控制量改变到被控量发生变化,都需要一定的时间，所以控制总是落后于干扰作用。
由于反馈控制的作用机理决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前.因此，对一些滞后较大的对象来说，控制作用总是不及时，从而限制了控制质量的提高.为了解决上述问题，可以采用按扰动直接进行控制，即当扰动一出现，控制器就直接按扰动的性质和大小,以一定规律进行控制，可使被控量还未变化之前,就克服干扰对系统的影响，从而使控制作用提前和控制精度进一步提高。
这种按干扰进行控制的方式称为前馈控制。
图7—16 换热器出口温度控制加热蒸汽通过换热器中排管的周围，把热量传给排管内的被加热物料,物料的出口温度T由蒸汽管路上的控制阀调节。
假设被加热物料的进料流量Q变化是影响被控制量出口温度T的主要扰动。
若采用反馈控制见图7-16 a）所示。
当物料流量Q发生扰动时,要等到出口温度T变化后，产生偏差,控制器才会动作,经控制阀改变加热蒸汽流量以后，又要经过热交换过程的惯性,才会使T变化。
这样可能使T产生较大的动态误差。
如果采用前馈控制方式,见图7-16 b）所示。
用一个流量检测变送器测取扰动量即被加热物料的流量Q，并将信号送到前馈控制器。
前馈控制器经过一定的运算去调节控制阀，以改变蒸汽流量来补偿进料流量Q变化对被控量T的影响。
只要蒸汽量改变的幅度和动态过程适当，就可以显著地减小或完全补偿由于扰动量的波动所引起的出口温度的波动。
假如进料扰动量为阶跃变化，补偿过程见图7－17所示。
图7—17 前馈控制系统的补偿过程化曲线。
若曲线b与曲线a大小相同,方向相反，则可能实现对扰动量的完全补偿，从而使被控量T与扰动量Q完全无关。
前馈—反馈复合控制系统
目录课程设计任务书一、前馈—反馈复合控制系统1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念 (3)1.2、概念的理解 (3)1.3、前馈—反馈系统的组成.........................................3—4 1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点.. (4)1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计 (4)二、控制系统的硬件设计2.1、S7—300系统组成 (4)2.2、CPU315—2DP (4)2.3、模式选择开关…………………………………..…….4—52.4、状态及故障显示 (5)三、控制系统的软件设计3.1、硬件组态 (5)3.2、工程管理器的使用 (6)3.3、新建工程....................................................6—9 3.4、组态监控画面. (9)3.5、组态变量……………………………………………9—10 3.6、软件编程…………………………………………..10—153.7、实验结果分析……………………………………….15—17四、控制系统的调试五、实验总结一、前馈—反馈复合控制系统1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念前馈—反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其他的干扰信号，这样的系统就是前馈—反馈复合控制系统。
1.2、概念的理解：（1）复合控制系统是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈、反馈（2）前馈控制系统的作用是对主要的干扰信号进行补偿，可以针对主要干扰信号，设置相应的前馈控制器（3）引入反馈控制，是为了是系统能够克服所有的干扰信号对被调量产生的影响，除了已知的干扰信号以外，系统中还存在其他的干扰信号，这些扰动信号对系统的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们肯本就考虑不到或是无法测量，都通过反馈控制来克服。
（4）系统中需要测量的信号既有被调量又有扰动信号。
基于MATLAB的水箱液位前馈-反馈复合控制方法的设计
基于MATLAB的水箱液位
孙虹
课题来源
生产实践
选题理由
在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义液位是工业生产过程中重要的被控量之一，因而液位控制的研究具有很大的现实意义。
难易程度
适中
每位学生分工（子课题）
合计人数：
1人
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。
过程控制与自动化仪表-第三版-课后答案
答:
过程控制系统设计的主要步骤:
１。确定控制目标；
２．选择被控参数;
3。选择控制量;
４。确定控制方案；
5。选择控制策略;
6．选择执行器;
7.设计报警和联锁保护系统;
8.系统的工程设计;
9．系统投运、调试和整定调节器的参数。
（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型?试举例说明。
答：
过程控制系统按结构不同主要分为三类:
1。反馈控制系统：反馈控制系统是根据被控参数与给定值的偏差进行控制的，最终达到或消除或减小偏差的目的,偏差值是控制的依据。它是最常用、最基本的过程控制系统.
2．前馈控制系统：前馈控制系统是根据扰动量的大小进行控制的,扰动是控制的依据．由于没有被控量的反馈,所以是一种开环控制系统。由于是开环系统,无法检查控制效果，故不能单独应用.
过程控制系统的一般性框图如图1－1所示:
图1—1过程控制系统的一般性框图
(３）单元组合式仪表的统一信号是如何规定的?
答:
各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0．0２~０.1MPａ；电动Ⅲ型:4～2０ｍAＤＣ或1~5V ＤＣ.
２)数字式仪表的信号:无统一标准。
（４)试将图1—2加热炉控制系统流程图用方框图表示。
答:
体积流量是以体积表示的瞬时流量.质量流量是以质量表示的瞬时流量。瞬时流量和累积流量可以用体积表示，也可以用重量或质量表示。
瞬时流量:单位时间内流过工艺管道某截面积的流体数量．
累积流量:某一段时间内流过工艺管道某截面积的流体总量。
(12）某被测温度信号在４0~８0℃范围内变化，工艺要求测量误差不超过±１％，现有两台测温仪表，精度等级均为0。5级,其中一台仪表的测量范围为0～100℃，另一台仪表的测量范围为０～２00℃，试问：这两台仪表能否满足上述测量要求？
过程控制系统与仪表课后习题答案
第1章思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点为什么说过程控制多属慢过程参数控制解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统典型过程控制系统由哪几部分组成解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统;组成：参照图1-1;1-4 说明过程控制系统的分类方法,通常过程控制系统可分为哪几类解答：分类方法说明：按所控制的参数来分,有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分,有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分,有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分,有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分,有比例P控制、比例积分PI 控制,比例、积分、微分PID控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等;通常分类：1．按设定值的形式不同划分：1定值控制系统2随动控制系统3程序控制系统2．按系统的结构特点分类：1反馈控制系统2前馈控制系统3前馈—反馈复合控制系统1-5 什么是定值控制系统解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的,引起系统被控参数变化的就是扰动信号;1-6 什么是被控对象的静态特性什么是被控对象的动态特性二者之间有什么关系解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性;被控对象的动态特性：;系统在动态过程中,被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性;二者之间的关系：1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义;为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动态特性解答：稳态：对于定值控制,当控制系统输入设定值和扰动不变时,整个系统若能达到一种平衡状态,系统中各个组成环节暂不动作,它们的输出信号都处于相对静止状态,这种状态称为稳态或静态;动态：从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作,到整个系统又建立新的稳态达到新的平衡、调节过程结束的这一段时间,整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中,这种状态称为动态;在实际的生产过程中,被控过程常常受到各种振动的影响,不可能一直工作在稳态;只有将控制系统研究与分析的重点放在各个环节的动态特性,才能设计出良好的控制系统;1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些各自的定义是什么解答：单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等;衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n；过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统,是指被控参数偏离设定值的最大值A；y与最终稳态值y∞之比的百分数σ；超调量：第一个波峰值1残余偏差C：过渡过程结束后,被控参数所达到的新稳态值y∞与设定值之间的偏差C称为残余偏差,简称残差；调节时间：从过渡过程开始到过渡过程结束所需的时间；振荡频率：过渡过程中相邻两同向波峰或波谷之间的时间间隔叫振荡周期或工作周期,其倒数称为振荡频率；峰值时间：过渡过程开始至被控参数到达第一个波峰所需要的时间;1-10 某被控过程工艺设定温度为900℃,要求控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃;现设计的温度定值控制系统,在最大阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-4所示;试求该系统过渡过程的单项性能指标：最大动态偏差、衰减比、振荡周期,该系统能否满足工艺要求 解答：错误!最大动态偏差A ：C C C A ︒=︒-︒=50900950错误!衰减比n ：1:5900910900950=--=n错误!振荡周期T ：(min)36945=-=TA<80C ︒, 且n>1 衰减振荡,所以系统满足工艺要求;第2章 思考题与习题2-1 某一标尺为0～1000℃的温度计出厂前经校验得到如下数据：求：1该表最大绝对误差；2该表精度；3如果工艺允许最大测量误差为±5℃,该表是否能用 2-2 一台压力表量程为0～10MPa,经校验有以下测量结果：求：1变差；2基本误差；3该表是否符合级精度2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa,精度等级为级;试问此压力表允许的最大绝对误差是多少若用标准压力计来校验该压力表,在校验点为5MPa 时,标准压力计上读数为,试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度,为什么解答： 1基本误差δ=100%⨯最大绝对误差max ＝×10＝2校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010508.5=⨯-=δ ％<1％ ,所以符合级表;2-4 为什么测量仪表的测量范围要根据被测量大小来选取选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题解答： 1 22-5 有两块直流电流表,它们的精度和量程分别为1 级,0～250mA 2级,0～75mA现要测量50mA 的直流电流,从准确性、经济性考虑哪块表更合适 解答：分析它们的最大误差：1max ＝250×1％＝；%5%100505.2±=⨯±=δ2max ＝75×％＝；%75.3%10050875.1±=⨯±=δ选择级,0～75mA 的表;2-11 某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃,输出为4～20mA;当变送器输出电流为10mA 时,对应的被测温度是多少解答：104202001000T=--； T=500C ︒;2-12 试简述弹簧管压力计的工作原理;现有某工艺要求压力范围为±,可选用的弹簧管压力计精度有、、、和五个等级,可选用的量程规格有0～、0～和0～4MPa;请说明选用何种精度和量程见附录E 的弹簧管压力计最合适解答： 1工作原理：2根据题意：压力范围为＋ MPa,即允许的最大绝对误差max ＝错误!分析选用不同量程的表所需的精度等级：0～ MPa 量程：%125.3%1006.105.0±=⨯±=δ,可选级表；0～ MPa 量程：%2%1005.205.0±=⨯±=δ,可选或级表；0～ MPa 量程：%2.1%1000.405.0±=⨯±=δ,可选级表;错误!量程选择：被测最大压力＝1/3～2/3量程上限0～ MPa 量程：32436.12.1〉=0～ MPa 量程：325.22.131〈〈0～ MPa 量程：313.00.42.1〈=综合分析,选用级或级,0～ MPa 量程的表最合适;2-13 如果某反应器最大压力为,允许最大绝对误差为;现用一台测量范围为0～,精度为1级的压力表来进行测量,问能否符合工艺要求若采用一台测量范围为0～,精度为1级的压力表,能符合要求吗试说明其理由;解答：工艺要求：最大压力为,允许最大绝对误差为; 分别求出两台仪表的最大允许误差,进行判断; 1精度为1级,量程为0～的表,其最大绝对误差： ＝×1％＝ MPa,> MPa, 所以不符合要求； 2精度为1级,量程为0～的表,其最大绝对误差：＝×1％＝ MPa,＝ MPa, 所以最大误差符合要求,但是压力表的最大测量值应≤ 2/3仪表量程,否则压力波动会使测量值超出仪表量程; 所以,该表也不符合要求;2-14 某台空压机的缓冲器,其工作压力范围为～,工艺要求就地观察罐内压力,并要测量结果的误差不得大于罐内压力的±5%;试选择一块合适的压力表类型、测量范围、精度等级,并说明其理由;解答：根据题意知：压力范围～,允许最大误差：max ＝×＋5％＝＋ MPa 1量程确定：应满足工作最大压力小于仪表量程的2/3处,即 MPa ×2/3＝ MPa 可以选量程为0～ MPa 的弹簧压力表; 2精度等级确定：求出基本误差,以确定满足要求的精度等级;%2.3%1005.208.0±=⨯±=δ ,允许的精度等级为级;综上分析,选择量程为0～ MPa,精度等级为级的弹簧压力表;＝×＋％＝＋ MPa,< MPa该表的最大绝对误差：max所以满足要求;2-17 什么叫标准节流装置试述差压式流量计测量流量的原理；并说明哪些因素对差压式流量计的流量测量有影响解答：1标准节流装置：包括节流件和取压装置;2原理：基于液体流动的节流原理,利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量的;3影响因素：P47错误!流量系数的大小与节流装置的形式、孔口对管道的面积比m及取压方式密切相关；错误!流量系数的大小与管壁的粗糙度、孔板边缘的尖锐度、流体的粘度、温度及可压缩性相关；错误!流量系数的大小与流体流动状态有关;2-19 为什么说转子流量计是定压式流量计而差压式流量计是变压降式流量计解答：1转子流量计是定压式流量计P47虽然转子流量计也是根据节流原理测量流量的,但它是利用节流元件改变流体的流通面积来保持转子上下的压差恒定;所以是定压式;2差压式流量计是变压降式流量计P45是基于流体流动的节流原理,利用流体流经节流装置是产生的压差实现流量测量的;所以是变压降式;2-21 椭圆齿轮流量计的特点是什么对被测介质有什么要求解答：1特点：流量测量与流体的流动状态无关,这是因为椭圆齿轮流量计是依靠被测介质的压头推动椭圆齿轮旋转而进行计量的;粘度愈大的介质,从齿轮和计量空间隙中泄漏出去的泄漏量愈小,因此核测介质的粘皮愈大,泄漏误差愈小,对测量愈有利;椭圆齿轮流量计计量精度高,适用于高粘度介质流量的测量;2对被测介质的要求：不适用于含有固体颗粒的流体固体颗粒会将齿轮卡死,以致无法测量流量;如果被测液体介质中夹杂有气体时,也会引起测量误差; 2-22 电磁流量计的工作原理是什么它对被测介质有什么要求解答：P511原理：利用导电液体通过磁场时在两固定电极上感应出电动是测量流速; 2对被测介质的要求：导电液体,被测液体的电导率应大于水的电导率Ωμ100cm,不能测量油类或气体的流量; 2-24 超声波流量计的特点是什么解答：超声波流量计的非接触式测量方式,不会影响被测流体的流动状况,被测流体也不会对流量计造成磨损或腐蚀伤害,因此适用范围广阔;2-25 用差压变送器测某储罐的液位,差压变送器的安装位置如图2-75所示;请导出变送器所测差压p ∆与液位H 之关系;变送器零点需不需要迁移为什么 2-26 用法兰式差压变送器测液位的优点是什么解答：P57测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液体的液位,在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油,作为传压介质,使被测介质不进入毛细管与变送器,以免堵塞;可节省隔离罐;2-27 试述电容式物位计的工作原理;解答：利用电容器的极板之间介质变化时,电容量也相应变化的原理测物位,可测量液位、料位和两种不同液体的分界面; 2-28 超声波液位计适用于什么场合解答：P60适合于强腐蚀性、高压、有毒、高粘性液体的测量;第3章 习题与思考题3-1 什么是控制器的控制规律控制器有哪些基本控制规律解答：1控制规律：是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系;2基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制;3-2 双位控制规律是怎样的有何优缺点解答：1双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负,控制器的输出为最大或最小; 2缺点：在位式控制模式下,被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡,无法稳定在设定值上;这是由于双位控制器只有两个特定的输出值,相应的控制阀也只有两个极限位置,总是过量调节所致;3优点：偏差在中间区内时,控制机构不动作,可以降低控制机构开关的频繁程度,延长控制器中运动部件的使用寿命; 3-3 比例控制为什么会产生余差解答：产生余差的原因：比例控制器的输出信号y 与输入偏差e 之间成比例关系： 为了克服扰动的影响,控制器必须要有控制作用,即其输出要有变化量,而对于比例控制来讲,只有在偏差不为零时,控制器的输出变化量才不为零,这说明比例控制会永远存在余差;3-4 试写出积分控制规律的数学表达式;为什么积分控制能消除余差解答：1积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：⎰=edt T y 112当有偏差存在时,输出信号将随时间增大或减小;当偏差为零时,输出停止变化,保持在某一值上;因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差; 3-5 什么是积分时间试述积分时间对控制过程的影响;解答：1⎰=edt T y 11积分时间是控制器消除偏差的调整时间,只要有偏差存在,输出信号将随时间增大或减小;只有当偏差为零时,输出停止变化,保持在某一值上;2 在实际的控制器中,常用积分时间Ti 来表示积分作用的强弱,在数值上,T i =1／K i ;显然,T i 越小,K i 就越大,积分作用就越强,反之亦然;3-6 某比例积分控制器输入、输出范围均为4～20mA,若将比例度设为100%、积分时间设为2min 、稳态时输出调为5mA,某时刻,输入阶跃增加,试问经过5min 后,输出将由5mA 变化为多少解答：由比例积分公式：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎰edt T e P y 111分析： 依题意：%1001==pK p ,即K p =1, T I = 2 min , e ＝＋； 稳态时：y 0＝5mA,5min 后：mAedt T e P y y )7.05()52.0212.0(151110±=⨯⨯±±⨯+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎰3-7 比例控制器的比例度对控制过程有什么影响调整比例度时要注意什么问题解答：P741控制器的比例度P 越小,它的放大倍数p K就越大,它将偏差放大的能力越强,控制力也越强,反之亦然,比例控制作用的强弱通过调整比例度P 实现;2比例度不但表示控制器输入输出间的放大倍数,还表示符合这个比例关系的有效输入区间;一表的量程是有限的,超出这个量程的比例输出是不可能的;所以,偏差的变化使控制器的输出可以变化全量程16mA,避免控制器处于饱和状态; 3-8 理想微分控制规律的数学表达式是什么为什么常用实际为分控制规律解答：1dtde T y D= 2由于理想微分运算的输出信号持续时间太短,往往不能有效推动阀门;实际应用中,一般加以惯性延迟,如图3-7所示,称为实际微分;3-9 试写出比例、积分、微分PID 三作用控制规律的数学表达式;解答：3-10 试分析比例、积分、微分控制规律各自的特点,积分和微分为什么不单独使用解答：1比例控制及时、反应灵敏,偏差越大,控制力越强；但结果存在余差; 2积分控制可以达到无余差；但动作缓慢,控制不及时,不单独使用;3微分控制能起到超前调节作用；但输入偏差不变时,控制作用消失,不单独使用; 3-11 DDZ-Ⅲ型基型控制器由哪几部分组成各组成部分的作用如何解答：P791组成如图3-11所示; 2作用参照P79;3-12 DDZ-Ⅲ型控制器的软手动和硬手动有什么区别各用在什么条件下解答：1软手动操作是指调节器的输出电流I 0与手动操作的输入信号成积分关系； 硬手动操作是指调节器的输出电流I 0与手动操作的输入信号成比例关系; 2软手动操作：系统投运 硬手动操作：系统故障3-13 什么叫控制器的无扰动切换在DDZ-Ⅲ型调节器中为了实现无扰切换,在设计PID 电路时采取了哪些措施解答：P841调节器进行状态转换后,输出值不发生跳动,即状态转换无冲击; 2C M 、C I ;P85中;3-14 PID 调节器中,比例度P 、积分时间常数I T 、微分时间常数D T 分别具有什么含义在调节器动作过程中分别产生什么影响若将I T 取∞、D T 取0,分别代表调节器处于什么状态 解答：比例度P 含义：使控制器的输出变化满量程时也就是控制阀从全关到全开或相反,相应的输入测量值变化占仪表输入量程的百分比;比例作用的强弱取决于比例度的大小;积分时间常数I T 含义：I T 越小,积分作用越强；越大积分作用越弱；若将I T 取∞,则积分作用消失;微分时间常数D T 含义：D T 越大,微分作用越强；D T 取0,微分作用消失; 3-15 什么是调节器的正/反作用在电路中是如何实现的解答：1正作用：偏差=测量值-给定值； 反作用：偏差=给定值-测量值; 2运放输入端的切换开关实现的;3-16 调节器的输入电路为什么要采取差动输入方式输出电路是怎样将输出电压转换成4～20mA 电流的解答：1采用差动输入方式,可以消除公共地线上的电压降带来的误差; 2参照P83下的输出电路;3-18 给出实用的PID 数字表达式,数字仪表中常有哪些改进型PID 算法 解答：1 P91式3-18 2改进的算法：第4章 思考题与习题4-1 气动调节阀主要由哪两部分组成各起什么作用解答：1执行机构和调节机构;2执行机构的作用：按调节器输出的控制信号,驱动调节机构动作；调节机构的作用：由阀芯在阀体内的移动,改变阀芯与阀座之间的流通面积,从而改变被控介质的流量;4-2 试问调节阀的结构有哪些主要类型各使用在什么场合解答：1类型：直通单座阀、直通双座阀;2直通单座阀使用场合：小口径、低压差的场合；直通双座阀使用场合：大口径、大压差的场合;4-4 什么叫调节阀的理想流量特性和工作流量特性常用的调节阀理想流量特性有哪些解答：1理想流量特性：在调节阀前后压差固定的情况下得出的流量特性称为固有流量特性,也叫理想流量特性;工作流量特性：在实际的工艺装置上,调节阀由于和其他阀门、设备、管道等串连使用,阀门两端的压差随流量变化而变化,这时的流量特性称为工作流量特性;2常用理想流量特性：直线流量特性、等百分比对数流量特性、快开特性4-6 什么叫调节阀的可调范围在串联管道中可调范围为什么会变化解答：1可调范围：反映调节阀可控制的流量范围,用R ＝Q max /Q min 之比表示;R 越大,调节流量的范围越宽,性能指标就越好;2由于串联管道阻力的影响;4-7 什么是串联管道中的阀阻比S S 值的变化为什么会使理想流量特性发生畸变解答：1阀阻比：用阀阻比o T p p S /min ∆=表示存在管道阻力的情况下,阀门全开时,阀门前后的最小压差min T p ∆占总压力p o 的比值;2在S ＜1时,由于串联管道阻力的影响,使阀门开大时流量达不到预期的值,也就是阀的可调范围变小;随着S 值的减小,直线特性渐渐区于快开特性,等百分比特性渐渐趋近于直线特性;4-8 什么叫气动调节阀的气开式与气关式其选择原则是什么解答：1气开式：无压力信号时阀门全闭,随着压力信号增大,阀门逐渐开大的气动调节阀为气开式;气关式：无压力信号时阀门全开,随着压力信号增大,阀门逐渐关小的气动调节阀为气关式;2选择原则：从工艺生产安全考虑,一旦控制系统发生故障、信号中断时,调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全;4-9 如图4-24所示的蒸气加热器对物料进行加热;为保证控制系统发生故障时,加热器的耐热材料不被烧坏,试确定蒸气管道上调节阀的气开、气关形式;解答：气开式调节阀;4-11 试述电/气转换器的用途与工作原理;解答：P1131用途：为了使气动阀能够接收电动调节器的输出信号,必须使用电／气转换器把调节器输出的标准电流信换为20～100kPa的标准气压信号;2原理：在杠杆的最左端安装了一个线圈,该线圈能在永久磁铁得气隙中自由地上下运动,由电动调节器送来得电流I通入线圈;当输入电流I增大时,线圈与磁铁间产生得吸力增大,使杠杆左端下移,并带动安杠杆上的挡板靠近喷嘴,改变喷嘴和挡板之间的间隙;喷嘴挡板机构是气动仪表中最基本的变换和放大环节,能将挡板对于喷嘴的微小位移灵敏地变换为气压信号;经过气动功率放大器的放大后,输出20～l00kPa的气压信号p 去推动阀门;4-12 试述电/气阀门定位器的基本原理与工作过程;解答：P115在杠杆上绕有力线圈,并置于磁场之中;当输入电流I增大时,力线圈产生的磁场与永久磁铁相作用,使杠杆绕支点O顺时针转动,带动挡板靠近喷嘴,使其背压增大,经气动功率放大器放大后,推动薄膜执行机构使阀杆移动;4-14 电动仪表怎样才能用于易燃易爆场所安全火花是什么意思解答：1必须是采取安全防爆措施的仪表,就是限制和隔离仪表电路产生火花的能量;使其不会给现场带来危险;2安全火花：电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下;4-16 齐纳式安全栅的基本结构是什么它是怎样限压、限流的解答：1结构：图4-19所示;2利用齐纳二极管的反向击穿特性进行限压,用电阻进行限流;第5章思考题与习题5-1 什么是被控过程的数学模型解答：被控过程的数学模型是描述被控过程在输入控制输入与扰动输入作用下,其状态和输出被控参数变化的数学表达式;5-2 建立被控过程数学模型的目的是什么过程控制对数学模型有什么要求解答：1目的：错误!设计过程控制系统及整定控制参数；错误!指导生产工艺及其设备的设计与操作；错误!对被控过程进行仿真研究；错误!培训运行操作人员；错误!工业过程的故障检测与诊断;2要求：总的原则一是尽量简单,二是正确可靠;阶次一般不高于三阶,大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型,最常用的是带纯滞后的一阶形式;5-3 建立被控过程数学模型的方法有哪些各有什么要求和局限性解答：P1271方法：机理法和测试法;2机理法：测试法：5-4 什么是流入量什么是流出量它们与控制系统的输入、输出信号有什么区别与联系解答：1流入量：把被控过程看作一个独立的隔离体,从外部流入被控过程的物质或能量流量称为流入量;流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量;2区别与联系：控制系统的输入量：控制变量和扰动变量;控制系统的输出变量：系统的被控参数;5-5 机理法建模一般适用于什么场合解答：P128对被控过程的工作机理非常熟悉,被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换有密切关系;5-6 什么是自衡特性具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点解答：1在扰动作用破坏其平衡工况后,被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性,称为自衡特性;2被控过程输出对扰动存在负反馈;5-7 什么是单容过程和多容过程解答：1单容：只有一个储蓄容量;2多容：有一个以上储蓄容量;5-8 什么是过程的滞后特性滞后又哪几种产生的原因是什么解答：1滞后特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后;2容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后;纯滞后：在生产过程中还经常遇到由物料、能量、信号传输延迟引起的纯滞后;5-9 对图5-40所示的液位过程,输入量为1Q ,流出量为2Q 、3Q ,液位h 为被控参数,水箱截面为A ,并设2R 、3R 为线性液阻;1列写液位过程的微分方程组；2画出液位过程的框图；3求出传递函数)()(1s Q s H ,并写出放大倍数K 和时间常数T 的表达式;解答：13322321R hQ R h Q dthd A Q Q Q ∆=∆∆=∆∆=∆-∆-∆ 2框图如图：3 3232321)()(R R s R AR R R s Q s H ++= 5-10 以1Q 为输入、2h 为输出列写图5-10串联双容液位过程的微分方程组,并求出传递。
前馈—反馈复合控制系统课设
目录第一章．前馈控制系统 2 第二章.给水控制对象的动态特征 7第三章．给水自动控制系统的基本要求 11 第五章．总结 24 参考文献 24专业班级 自动化09-1 学号 01 姓名 李丰 成绩前馈—反馈复合控制控制系统摘要流量是工业生产过程中重要的被控量之一，因而流量控制的研究具有很大的现实意义。
锅炉的流量控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。
本论文的目的是锅炉进水流量定值控制，在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的过程控制。
首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。
然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID 调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了过程控制对提高系统性能的作用。
随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
关键词：流量定值；过程控制；PID 调节器；前馈控制；系统仿真……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………第一章．前馈控制系统1. 前馈控制系统的组成在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因而从干扰产生到被调量发生变化需要一定的时间。
从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又要经过一定的时间，可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控量的影响克服在被控量偏离设定植之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。
考虑到偏差产生的直接原因是干扰作用的结果，如果直接按扰动而不是按偏差进行控制，也就是说，当干扰一出现调节器就直接根据检测到的干扰大小和方法按一定规律去控制。
由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调节器就产生了控制作用，这在理论上就可以把偏差彻底消除。
第六章 前馈-反馈控制
1+ WT (s)WD (s)
1+ WT (s)WD (s)
由于WDZ(S)≠0，因此扰动对系统输出是有影响的。
（2）复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对 象控制通道和干扰通道的传递函数有关，还与反馈调 节器的位置有关。
若复合控制系统的组成如下图所示，反馈调节器与
上图相比，不是放在前馈信号前面，而是放在它的后
的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所 谓“完全补偿”，此时：
Y(s) / D(S) = GD(S)+ G (S)Gm(S)=0
所以，前馈控制器的控制规律为：
Gm(S)= -GD (S)/ G(S)
6-2 （）
上式说明前馈控制的控制规律完全是由对象特性 决定的，它是干扰通道和控制通道传递函数之商，式 中负号表示控制作用的方向与干扰作用相反。
三、复合控制
1. 基本原理
工程实际中，为克服前馈控制的局限性从而提高控 制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它引 起被调参数变化的干扰采用反馈控制来克服。以这种形 式组成的系统称为前馈一反馈复合控制系统。前馈-反 馈复合控制系统既能发挥前馈调节控制及时的优点，又 能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处， 因此得到了广泛的应用。
(
s
)
⋅
Z
(s)
因为1+ WT(S) WD(S)≥l，因此
Y1' (s) ≪ Y1(s)
对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。
（4）前馈补偿对于系统的稳定性没有影响。
这一点是显而易见的，因为前馈无论加在什么位 置，它都不构成回路，系统的输入一输出传递函数的 分母均保持不变，因而不会影响系统的稳定性。
水箱液位的前馈-反馈控制系统设计与实现-应对问题
1、什么是PID？PID调节实际上是由比例、积分、微分三种调节方式组成。
比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。
因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。
反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，（对未来变化的一种预判性调节）微分作用可以减少超调量，克服震荡，是系统的稳定性提高，加快响应速度，减少调节时间。
2、为什么要使用PID？1、PID控制是目前工业控制应用最为广泛的控制策略之一，结构简单，调节也比较方便。
2、它综合了系统过去（I），现在（P），和未来三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识3、鲁棒性强，控制效果一般令人满意。
3、PID参数怎么整定？用什么整定方法？PID参数调节中，单回路采用了采用了衰减曲线法进行，先将积分时间至于最大值，微分时间置0,将系统投入闭环运行，通过调节比例系数来进行调节出4:1的曲线，然后确定出P,I,D参数的大致整定值，再根据实际情况进行细调。
4、为什么用衰减曲线法整定？5、为什么要前馈？单回路PID控制能够消除系统运行过程中的次要干扰，但是在系统存在某种特定的主要干扰的时候，系统单靠单回路的PID控制不能消除干扰对系统的影响。
引入前馈通道来消除系统某种特定的主要干扰。
前馈反馈控制比单回路系统更能够消除系统特定的某种干扰。
6、为什么要用静态前馈？本设计要求的是只考虑最终稳态时的校正，不考虑由于过程扰动通道的时间常数和控制通道的时间常数不同，在过渡过程中所产生的动态参数，因此前馈模块选择的是静态前馈控制。
热工控制系统课堂第七章前馈-反馈复合控制系统
测量元件
用于测量被控对象的输入信号 和输出信号，以便进行反馈控
制。
系统软件配置
控制算法
根据被控对象的特性和控 制要求，选择合适的控制 算法，如PID控制、模糊控 制等。
数据处理
对传感器和测量元件采集 的数据进行预处理和后处 理，以提高控制精度和稳 定性。
人机界面
提供操作人员与控制系统 交互的界面，方便操作人 员进行监控和调试。
系统调试与优化
参数调整
根据实际运行情况，对控制系统 的参数进行适当调整，以提高控
制效果。
性能测试
对控制系统的性能进行测试，包 括响应速度、控制精度、稳定性
等指标。
系统优化
根据性能测试结果，对控制系统 进行优化，包括硬件配置、软件
算法等。
05
前馈-反馈复合控制系统 的应用案例
工业过程控制中的应用
考虑抗干扰措施
针对可能存在的干扰因素，采取适 当的抗干扰措施，以提高系统的稳 定性和可靠性。
04
前馈-反馈复合控制系统 的实现
系统硬件配置
01
02
03
04
传感器
用于检测被控对象的输出信号 ，并将其转换为电信号或数字
信号。
控制器
接收传感器信号，根据控制算 法计算出控制信号，并输出到
执行器。
执行器
接收控制信号，驱动被控对象 进行动作。
02
前馈控制系统的设计
确定系统参数
01
02
03
输入参数
确定输入参数是前馈控制 系统的第一步，这些参数 通常包括温度、压力、流 量等。
输出参数
输出参数是系统需要控制 的变量，例如温度、压力 等。
过程参数
前馈反馈控制实验
实验八、前馈反馈控制实验一、实验目的 1、 学习前馈调节规律2、 学习前馈控制系统的组成原理3、掌握前馈控制器的设计方法二、实验设备 1、 四水箱实验系统DDC 实验软件 2、PC 机（Windows ＸＰ 操作系统）三、实验原理前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按信号产生合适的作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。
前馈控制是根据被控变量不变性原理设计的，有动态不变性、静态不变性和绝对不变性等原理。
它要对被控过程有充分了解，以得到前馈控制器的数学模型，对线性系统理论上实现扰动量对被控变量“完全补偿”或“绝对不变”的算式，一般可表达为：()()()s G s G p f FC −=s G （8－1）式中： ()s G FC ——前馈控制器的传递函数——干扰通道的传递函数()s f G ——对象通道的传递函数()s p G 从理论上看，前馈调节能依据干扰值的大小，在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上。
而实际上要按（18－1）式实现完全补偿，在很多情况下只有理论意义，实际上做不到；同时，在工业对象中，存在许多扰动因素，我们只能选择一两个主要的扰动进行补偿，而其余的扰动仍会使被调量发生偏差。
前馈－反馈控制系统将前馈与反馈结合起来，选择对象中主要的一些干扰作为前馈信号，对其它引起被调参数变化的各种干扰则采用反馈调节系统来克服，从而充分利用了这两种调节作用的优点，使调节质量进一步提高。
前馈－反馈控制系统框图如上图所示，以双容水箱为被控对象的前馈－反馈控制系统可以近似看成线性系统，因此式同样适用于前馈－反馈控制系统。
下面根据这个“完全补偿”算式，给出前馈控制器的一般设计步骤：1、 获得双容水箱的数学模型即计算。
通过飞升曲线法获得双容水箱的动特性曲线，并分析获得其数学模型，具体可参见实验二；()s p G 2、 获得干扰通道的数学模型即计算。
通过飞升曲线法获得干扰通道的动特性曲线，并分析获得其数学模型，具体可参见实验二；()s f G 3、 计算前馈控制器的数学模型 根据（8－1）式有 ()()()s G s G p f FC −=s G至此，我们完成前馈控制器的设计。
液位流量前馈反馈控制设计调试-开题报告
2、提出问题：
谈到智能小车机器人的发展与科研，我们就不得不考虑其经济效益和可实现程度，了解一下其基本组成和其核心元件。一般智能小车机器人由传感器检测部分、执行部分、控制系统三大部分组成，其中控制系统和传感元件是小车机器人的灵魂，而控制系统中的核心控制元件是单片机，传感器检测部分的核心元件是各类传感器[10]，因此我们还要了解一下单片机的发展史及特点和传感器的分类选用原则，为下一步工作做好铺垫。
单片机由于体积小，价格低，功耗低、控制功能强且控制逻辑可由软件来实现，因此可以很方便地完成由一般数字电路很难实现的控制逻辑。所以在测控系统、智能仪表、机电一体化产品、智能接口、智能民用产品、机器人等领域得以广泛应用。而为了适应各种嵌入式系统的应用需求，单片机正向着高集成度、增强工能，提高速度、降低成本和功耗等方向发展，并且由于近年来，单片机结合专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）和精简指令集计算机（Reduced Instruction Set puter, RISC）技术，发展成为了嵌入式处理器（Embedded Processor），更加适用于数据与数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等高技术领域[13]。
荷兰鹿特丹港口的研究：智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输，荷兰的bi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地[3]。
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液位前馈-反馈复合控制
实验报告书
实验名称：液位前馈-反馈复合控制姓名：
班级：
学号：
指导老师：
一、实验名称：
液位前馈-反馈复合控制
二、实验设备：
组态软件、实验箱。
三、实验过程：
需要注意的一点是：组态软件采用所有的工程量都是0-100。
如液位的实际最高高度为28cm，液位参数设置时取20%，50%等类似的百分比
a)流量液位前馈反馈控制
1 实验目的与要求
1.1.实验前需熟悉复合控制的原理与特点。
1.2.熟悉仪表装置，如检测单元、控制单元、执行单元等。
1.3.通过实验掌握前馈补偿器的设计方法。
2 实验系统组成
2.1 实验原理
流程图如图 2.3.1 所示。
水介质由泵U101(P101)从水箱V104 中加压获得压头，经流量计FT101、电动调速器U101、水箱V101、手阀QV116 回流至水箱V104 而形成水循环，负荷的大小通过手阀QV116 来调节；其中，水箱V101 的液位由液位变送器LT101测得，给水流量由流量计FT101 测得。
本例中调速器U101 为操纵变量， LT101 为被控变量，接收流量的前馈信号参予到定值系统中，整体构成前馈－反馈控制系统。
2.2 前馈补偿器,
如果水路流量出现扰动，经过流量计FT101 测量之后，测量得到干扰的大小，然后通过调整调速器开度，直接进行补偿。
本次实验采用静态补偿，补偿器数值为图2.3.1中的前馈系数K。
图 2.3.1 流量液位前馈反馈复合控制
3 操作步骤和调试
首先进行无前馈控制的单一反馈控制实验，观察对干扰的控制效果，然后进行复合控制实验，对比分析两种控制方案的特点与实验结果。
3.1 单一反馈控制实验步骤：
1、启动组态王软件，选择“复杂控制”中“流量液位前馈反馈控制”。
2、检查水槽溢出时是否有溢流通道，保证发生溢出时水能够流回蓄水箱V104。
3、工艺对象和控制系统上电。
4、设定K=0，液位设定值为30%左右，然后在“自动”模式下调节PID 控制器参数，使得在设定值增加10%的阶跃输入情况下，能得到较为满意的响应曲线。
抓图，保存实验曲线结果
5、增加干扰，调节QV111 从90 度变动到50 度，观察系统响应曲线。
抓图，保存实验曲线结果。
6、若全部实验结束，将工艺对象和控制系统断电。
3.2 复合控制步骤：
1、将调节阀QV111 转回90 度的关闭状态。
2、设定K=0，液位设定值在30~40%之间，保持3.1 步骤中的PID 参数不变。
3、系统稳定后，观察主界面上方的稳态流量（百分比）记为q1，下方的调节器输出记为u1。
将调节阀QV111 从90 度变动到70 度，观察响应曲线，系统稳定后，将稳态流量（百分比）记为q2，下方的调节器输出记为u2，则前馈补偿器的计算公式为
4、将调节阀QV111 转回90 度的关闭状态。
系统稳定后，将q1 输入到主界面下方的“稳态流量百分”的编辑框中，前馈系数设为式1 求得的K。
5、增加干扰，调节QV111 从90 度变动到50 度，观察响应曲线。
抓图，保存实验曲线结果。
6、点击主界面“停止”按钮，关闭系统，分析数据。
7、若全部实验结束，将工艺对象和控制系统断电。
4 实验结果与思考
整理实验曲线，记录 PID 参数及前馈系数。
1.针对得到的不同实验曲线，加以对比分析说明
从实验结果对照我们可以看出,通过设置前馈环节,使系统特性在相同PID的调节下得到了显著提高,这是因为前馈调节是通过引起被控参数变化的干扰大小进行调节,因此对干扰的克服要比反馈调节快。
而前馈反馈复合控制更加提高了稳态性能和动态性能，使调节性能得到更多的改善。
2.若本实验系统中泵的模型为水槽v101 的模型为
控制器 LIC 模型为K L ，液位传感器模型为K m ，则本次实验中前馈补偿器G B 是多少？
为了实现对干扰F（S）的完全补偿，则干扰项应为零，即
G B (S)=-G
(S)/G
(S)*K
l =-1/K
l。