实验三 前馈控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量研究

广西大学实验报告_______________________________________________________________________________

实验三前馈控制系统的构成、投运和参数整定

及控制质量研究

一、实验目的

1、熟悉前馈-反馈控制的原理，了解前馈-反馈控制系统的结构及特点。

2、掌握前馈-反馈控制系统的设计与工程应用。

3、掌握LabVIEW和Matlab/Simulink软件，学会采用两软件混合编程方法构建前馈-反

馈控制系统；或学会用力控组态软件的控制策略编写系统的控制算法。

4、初步掌握前馈-反馈控制系统的控制器参数调整方法。

二、实验设备

1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套

2、A3000－CS上位控制系统4套

三、实验要求

1、熟悉A3000过程控制实验系统，分析选择工艺流程与对象，确定系统控制方案，设计一个前馈－反馈控制系统，并画出系统接线图。

2、利用LabVIEW或力控设计系统控制器和系统操作界面。即可应用力控的控制策略搭建PID与前馈控制算法；也可用Matlab/Simulink来实现算法构建，并用LabVIEW和Matlab/Simulink接口技术设计出具有控制功能的虚拟仪器（参见附录）。

3、系统投运与控制器参数调整，获得最佳的控制效果，并通过施加干扰来验证。

4、在相同的工况条件下，比较前馈－反馈控制系统与单回路控制系统的控制效果。

四、实验原理

1、控制原理

前馈控制又称扰动补偿，它与反馈控制原理完全不同，是按照引起被控参数c(t)变化的干扰f(t)大小进行调节的。在这种控制系统中，需直接测量干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，控制器就能发出控制信号使操纵量q(t)作相应的变化，让干扰f(t)对被控参数c(t)的影响与操纵量q(t) 对被控参数c(t)的作用相互抵消，以保证c(t)基本不变。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，其控制效果还需要通过反馈加以检验。目前工程上采用的是前馈反馈控制系统。

前馈控制器的设计是该系统实现的重要环节，其控制算法是基于“不变性原理”而得出的，它取决于系统的控制通道与干扰通道的数学模型：

2、控制方案参考

如图3-1所示。设法保持下水箱液位，用两个水泵注水。

如果支路一流量出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰量的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，改变其流量大小直接进行补偿。此法为单纯前馈控制，它属于开环控制。这种控制是有余差的，而且系统极不稳定，因此增加反馈通道，使用PI 控制算法。具体系统组成如图3－1所示。

图3-1

前馈

－反馈控制系统原理图 系

统构成参见表3－1 表3－1 测量与控制端连接表

测量或控制量 测量或控制量标号 使用控制器端口

涡轮流量计

FT101 AI0 下水箱液位

LT103 AI1 电磁流量计

FT102 AI2 调节阀 FV101S AO0

五、实验内容与步骤

1、 在A3000-FS 上，打开工艺阀JV206、 JV103，电磁阀XV101，JV201，JV104，其余

阀门关闭；

2、 按照表3－1进行连线：

在A3000-CS 上，电磁流量计输出端连接到AI2；涡轮流量计输出端连接AI0；下水箱液位变送器输出端连接AI1，AO0连接到电动调节阀（FV101）；

3、打开A3000电源；

4、在A3000-FS 上，启动左边水泵和右边水泵。左边水泵使用变频器控制。

5、首先测量调节阀开度和流量关系。给出不同的开度电流，观察电磁流量计的数值； 1111)()

()(21++=++⋅-=-=s T s T K s T s T K K s G s G s G ff f p p f p f ff

6、计算关系函数，设计虚拟仪器；

7、前馈-反馈控制系统投入运行。启动上位机，设置控制器参数（δ、T i参数设置方法与步骤参见单回路控制系统实验），设置前馈系数K ff，T1，T2，记录其实时曲线；

8、通过变频器改变左边支路水流量，观察并记录控制曲线的变化。

9、反复进行操作8，并修正K ff，T1，T2参数的值。

六、思考问题

1、前馈控制与反馈控制各有什么特点？

1)前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统

2)前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量

3)前馈需要专用调节器，反馈一般只要用通用调节器

4)前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰

5)前馈理论上可以无差，反馈必定有差

2、前馈控制算法与什么有关？如何推导出其数学模型？

通过对前馈控制系统的几种典型结构形式的分析可知，前馈控制器的控制规律取决于对象干扰通道与控制通道的特性。

系统的传递函数可表示为：

Q1（S）/Q(S)=GPD（S）+Gff（S）GPC（S）

式中)GPD(s)、GPC(s）分别表示对象干扰道和控制通道的传递函数；Gff(s）为前馈控制器的传递函数。

3、分析前馈－反馈控制与串级控制的区别，优缺点。

串级控制的主回路和副回路都是闭环负反馈控制系统。前馈反馈控制系统的前馈控制是一开环控制，反馈控制是一闭环负反馈控制。

串级是调节被控量使其不偏离给定值，而前馈是专门针对干扰量的，前馈控制一般用在变量无法控制的场合

串级是反馈，说白了就是已经发生了偏离再调节。而前馈顾名思义不是根据现场返回的数值在调节，而是针对特殊的对象进行数学建模属于一种预测调节。

七、实验结果提交

写出完整的实验报告：

1、画出相关的控制系统图及原理方框图。

2、通过抓图方法，提交获得的实验曲线。

3、推导出前馈控制算法。

力求控制仪表的模式具有一定的通用性

因此经常可用一个一阶或二阶容量滞后，必要时再串联一个纯滞后环节来近似它。

4、给出最佳的控制参数，分析系统的控制品质。

5、回答思考题。