过程控制前馈反馈实验报告

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。

实验四前馈控制系统一、实验目的1)通过本实验，了解前馈控制系统的基本结构及工作原理。

2)掌握前馈控制系统的设计思想和控制器的参数整定方法。

二、实验原理干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的。

前馈控制的原理是给系统附加一个前馈通道（或称前馈控制器），使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。

利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。

前馈控制系统主要特点如下：1) 属于开环控制只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。

但若系统中有一个环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。

另外，系统的控制精度取决于构成控制系统的每一部分的精度，所以对系统各环节精度要求较高。

2) 很强的补偿局限性前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用的叠加来消除干扰的影响。

因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用，而对其他干扰没有影响。

而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。

因此，前馈控制即使对单一干扰也难以完全补偿。

3) 前馈控制反应迅速在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高了系统反应的速度。

当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制量由于扰动引起的动静态偏差比较有效。

这非常有利于大迟滞系统的控制。

4) 只能用于可测的干扰对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。

按结构，前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。

一个典型的前馈-反馈复合控制系统如图4-1所示。

前馈-反馈复合控制和前馈-串级复合控制系统的工程整定方法主要有两种：1) 前馈控制和反馈或串级分别整定，确定各自参数，然后组合在一起；2) 首先整定反馈控制系统或串级控制系统，然后再在反馈或串级的基础上引入前馈控制系统，并对前馈控制系统进行整定。

目录一、概述 (2)二、课程设计任务及要求 (2)2.1、控制流程分析 (2)2.1.1目的 (2)2.1.2要求 (2)2.1.3说明 (3)2.1.4流程设计分析 (3)2.2、控制参数估算 (4)2.3、具体前馈控制方案设计 (5)2.4过程仪表选型 (10)2.4.1XMAF5000福光百特智能仪表 (10)2.4.2 电磁流量计········错误!未定义书签。

2.4.3压力液位传感器······错误!未定义书签。

2.5、进行系统仿真 (12)2.6、数据整理、绘图、制表 (18)2.7、总结 (21)一、概述前馈控制系统是一种依据“系统不变性”原理，按照“扰动进行调节”的开环控制系统。

既然是开环，该扰动量必须是可测而不可控的。

所以，该控制系统的作用不能抑制扰动量，只能采用特定的方法补偿扰动对被控参数造成的影响。

显然，根据扰动提前进行补偿的思想是先进的，应该说比被调参数受到扰动、造成偏差后才进行调节要更及时、有效；特别是当控制通道时间常数较大，滞后较大时。

如果补偿设计得当，可以产生很好的效果，但现场不是所有的干扰都可测，并且都可以设计出合适的补偿环节。

前馈控制器是需要用户根据要求进行设计的控制器。

二、课程设计任务及要求2.1、控制流程分析2.1.1目的构建前馈-反馈控制系统，并进行操作和运行该系统，深入理解前馈-反馈控制控制系统的结构与工作原理；了解、掌握前馈-反馈控制系统的投运及整定过程及步骤。

2.1.2要求当外部干扰发生时，通过对可测干扰的补偿，更快地克服干扰的影响，更好地保证被控参数稳定。

控制质量应好于单回路的情况。

2.1.3说明（1）前馈-反馈系统是前馈+反馈控制系统的组合。

（2）本实验中的反馈系统部分为液位单回路控制系统；前馈部分为根据扰动流量设计的补偿环节。

1.静态非线性反馈控制1.1系统结构图1.2无前馈对扰动结果1.2加入稳态前馈对扰动结果1.3增益偏差后对扰动结果此处Kvm = 800不变，改变Kv，使得前馈控制器与系统有偏差蓝线——Kv = 1600，橙线——Kv = 1200，黄线——Kv = 800，紫线——Kv = 600，绿线——Kv = 4001.4非线性稳态前馈控制总结（1）对比使用和未使用两种响应，可以得知使用非线性稳态控制后系统因干扰而产生的稳态余差得以消除（2）对比同一个FFC对不同Kv下系统的响应，可以得知，若Kvm与Kv 产生偏差，则系统仍会存在余差，且Kvm>Km，则稳态值会比设定值大，反之则更小（3）有关测量值和物理量，一般非线性稳态前馈控制器的设计公式中的变量均取自物理量，而控制回路中测量变送环节得到的量为百分量或者电/气信号，故或者将所有变量全部换算至物理量，或者将增益换算至测量值情况下增益，才能设计好非线性稳态FFC2.动态前馈控制2.1FFC设计控制框图原理如下：从框图中，我们可以得知：则依据FFC设计目标，有：且由于反馈控制回路PID控制器加上了控制信号稳态值u0，故FFC无需再加上稳态值2.2动态前馈性能2.2.1前馈反馈响应的噪声问题及原因调查仅采用设计所得FFC,对RF扰动的控制效果采用前馈反馈方案对RF扰动控制效果可以看到，采用前馈反馈控制方案后，T2响应出现了波动，虽然波动的幅度很微小，但波动存在仍会导致控制阀过度使用，从而寿命降低，故应找出波动原因，进而找出方案避免。

一开始认为是引入FFC产生扰动所致，但通过调节PID控制器参数并不能消除这一影响。

进一步想到当调节FFC使得T2m响应改善后，再使用PID控制，但仍不能消除波动影响。

在此使用的改善方式是将原FFC乘以0.5的增益，得到FFC-1。

通过查看该系统进行单回路控制响应，发现PID控制仍会使响应产生波动，故排除FFC引入导致波动原因。

前馈控制系统实验
一、实验目的
1．熟悉前馈控制器的构成及参数整定。

2．分析比较前馈控制系统与反馈控制系统的特点。

二、实验方法
根据前馈控制系统几种典型形式，确定以为前馈控制器组成静态前馈—反馈和动态前馈—反馈控制系统的实验线路(注意，这里的静态和动态是针对干扰通道和控制通道的动态特性相似——均为二阶滞后环节，及不相同——分别为一阶和二阶滞后环节)，参照K f及T l、T2的整定方法，进行系统的投运和整定。

三、实验内容
1．在静态前馈的情况下，分别采用开环及闭环整定方法，整定K f值。

2．对静态前馈—反馈控制过程与单回路反馈控制过程进行分析比较。

3．用飞升曲线法测试控制通道及干扰通道特性，并均按一阶滞后环节特性作近似计算。

4．按测试所得过程特性，整定动态前馈控制器模型，并作单纯动态前馈控制运行，得控制过程的曲线。

5．进行动态前馈—反馈控制，并得控制过程曲线，与单回路反馈及单纯动态前馈的控制过程进行分析比较。

6．在动态前馈—反馈控制运行时，改变前馈控制器参数K f及T l、T2，观察控制过程的变化情况。

7．利用实验装置，试连接组成前馈—串级控制系统。

8．整理数据，分析实验结果，写出实验报告。

现代工程控制理论实验报告学生姓名：任课老师：学号：班级：目录实验十一PID参数优化和前馈控制 (3)1、PID参数优化 (3)1.1 实验目的 (3)1.2 PID优化方法 (3)2前馈控制 (18)2.1实验原理 (18)2.2实验步骤及内容 (20)2.3实验结论 (26)3、实验中遇到的问题 (27)3.1 PSO优化结果问题 (27)3.2如何寻找一个函数分析系统仿真过程中的扰动对系统输出的影响程度？ (30)实验十一 PID 参数优化和前馈控制本次实验分为PID 控制器的参数优化和前馈控制器分析两个部分。

1、PID 参数优化1.1 实验目的PID 控制器是控制领域中最为经典、应用最为广泛的一种控制器，但是现如今PID 参数的选择方法仍然没有一个广泛认同的标准。

本次实验通过实例讲解一种较为基本的PID 参数选择方法，以供大家参考。

1.2 PID 优化方法PID 参数选择主要分为两个部分，经验寻找和精准筛选。

1.2.1经验寻找在已知对象传递函数的条件下，寻找控制器参数的第一步的是经验寻找，即利用经验公式大致确定PID 三个参数的大致范围。

设PID 控制器的形式为1(1)p d i k T S T S++ ，确定kp 、Ti 、Td 参数的经验公式如下：（1）对于传递函数为(1)nK Ts +的系统选择PI 控制器，10.3p k nk=，0.5i T nT =。

（2）对于传函为s nke τ-（1+Ts ）的系统可以选择Zn 法选择PID 控制系数。

Zn 法的表格如下。

至于纯迟延系统PID 控制器的参数选择方法在实验十二继续阐述，在此不再累赘。

例： 针对传递函数为22（1+80s ）的对象设计PI 控制器，使系统最终能够稳定下来，且超调量小于5%，稳定时间小于500s 。

解： 根据经验公式可以大致确定一组PI 系数使系统能够稳定下来。

对应的程序如下。

得到kp=0.8333,Ti=80。

对应的控制器的传递函数为0.01040.8333s，在相应的控制器的作用下系统的输出曲线如下。

过程控制课程设计--前馈-反馈控制系统的设计与整定北华航天工业学院课程设计报告（论文）设计课题：过程控制专业班级：学生姓名：指导教师：设计时间：201311.25-2013.12.06北华航天工业学院电子工程系过程控制课程设计任务书指导教师：教研室主任：2013年12月6日内容摘要自本世纪30年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。

自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System）、随动控制系统（Follow-up Control System）、过程控制系统（Process Control System）。

前馈-反馈控制系统的设计与整定，采用自动控制技术，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。

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。

关键词：自动化过程控制PID目录一概述 (1)二方案设计与论证 (2)2．1 前馈控制 (2)2．2 反馈控制 (2)2．3 前馈-反馈控制 (3)2．4前馈-反馈控制系统PID算法 (4)2．5 控制方案的论证 (5)2．5．1控制方案的可靠性 (5)2．5．2控制方案的安全性 (5)2．5．3控制方案的经济性 (5)三仪表的选择与参数的设定………………………………………………………6 3．1 设备型号 (6)3．2 调节器及其参数的设置 (7)3．3 仪器仪表的组合安装 (8)3．4 计算机的参数设置 (9)四实验步骤…………………………………………………………………………9 五实验结果………………………………………………………………………10 六结论 (11)七心得体会………………………………………………………………………12 八参考文献………………………………………………………………………13一、概述PCT—I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。

下水箱液位前馈-反馈控制系统一、实验目的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、实验设备（同前）三、实验原理本实验的被控制量为下水箱的液位h ，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，在与给定量比较后的差值通过调节器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。

本实验系统结构图和方框图如图7-1所示。

图7-1 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 (7-1)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(7-1)来计算。

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。

过程控制实验报告1 简介过程控制，在现代工业生产中占有重要的地位，其为保证生产过程质量和效率的关键因素。

基于这种情况，我们深入研究了自动控制系统和PID控制算法，通过实验来掌握它们的特点，从而能够更好地设计、调节和维护高质量的生产过程。

2 实验原理2.1 自动控制系统自动控制系统是应用控制理论和现代科技手段实现工艺或装置自动化的系统。

它由控制器和执行机构组成，通过传感器采集过程变量和设定值，以调节执行机构的动作来达到自动控制的目的。

自动控制系统有许多种类型，包括反馈控制、前馈控制以及模型预测控制。

2.2 PID控制算法PID控制算法是一种基于连续时间反馈机制的调节方法。

该方法通过对误差、误差积分和误差导数的加权求和，来生成控制器的输出。

PID控制器是最常用的控制器类型，其具备简单、稳定等优点。

3 实验步骤3.1 实验一：提高反馈控制器的稳定性此实验是为了提高反馈控制器的稳定性而设计的，我们首先将作为检测过程变量的传感器连接到实验装置上，接着我们调整了PI控制器的参数，通过改变比例增益和积分时间常数来调节PI控制器。

我们一开始设定了较高的比例增益，随后逐渐减小比例增益，直到控制器的稳定性和系统响应变得相对平缓。

之后，我们在一定范围内改变积分时间常数的值，通过观察控制器响应时间来确定最佳的比例增益和积分时间常数。

最终，我们将系统稳定性调整到了最佳状态并记录了参数值。

3.2 实验二：调整PID控制器在本次实验中，我们将了解如何通过调整PID控制器的参数来优化控制效果。

我们首先将系统的控制模式切换到PID控制，并设定一个范围内的目标值，以提高系统响应时间和减小误差。

我们通过改变比例、积分和导数参数的值，来寻找最佳控制参数。

我们发现，随着比例增益的变化，系统响应时间会逐渐减小，但是其过冲幅度则会变大。

我们试图通过调整其他两个参数的值来抵消这种趋势，最终找到了最佳的参数。

3.3 实验三：模型预测控制本实验旨在掌握模型预测控制的基本原理和操作。