过程控制课程设计-前馈—反馈控制系统仿真论文.docx

南昌航空大学课程设计南昌航空大学课程设计报告 课程设计名称：前馈反馈控制系统仿真 课题组成员： 指导老师： 撰写日期：2016年12月18日星期日南昌航空大学信息工程学院自动化系二一六年制过程控制 课程设计任务书20 1620 17 学年 第一 学期第 15 周 15 周 题目前馈反馈复合控制系统仿真内容及要求通过在MATLAB软件上建立前馈反馈复合控制系统的数学模型，利用反馈控制抑制其他干扰及前馈所“遗留部分干扰”。采用前馈、反馈分别整定和以反馈为基础整定前馈的方法，对控制系统进行系统辨识、控制系统整、和系统仿真等内容。进度安排1、讲授课程设计的要求、任务和方法，布置设计题目（0.5天）；2、查阅资料，确定设计方案（1天）；3、设计、实验调试并完成课程设计报告（2.5天）；4、当场个人答辩及报告评阅（1天）。学生姓名： 刘英俊指导时间 2016年11月 20日至2016年11月 27日指导地点：F409任务下达2016 年 11月21日任务完成2016年11月 27日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师系（部）主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。引言本课程设计通过仿真实例介绍前馈-反馈控制系统的基本特点、前馈反馈控制系统的设计及前馈反馈控制系统控制器的参数整定等基础认识。在本设计中，通过对锅炉双冲量控制系统的设计分析，说明前馈反馈控制系统的优越性能。目录1、系统概述11.1、前馈控制系统的结构11.2、前馈控制系统的特点21.3、前馈-反馈混合控制32、前馈-反馈混合控制系统的设计52.1、锅炉汽水系统介绍52.2、汽包水位特性及其控制52.2.1、汽包水位在给水流量作用下的动态特性62.2.2、汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性72.3、汽包水位控制方案83、参数整定103.1、PID参数整定103.1.1、PID各环节对系统控制的作用103.1.2、PID参数整定方法103.2、系统仿真113.2.1、系统辨识113.2.2、前馈反馈控制系统整定123.2.3、构成反馈控制系统前向通道稳定分析153.3、simulink仿真15参考文献171、 系统概述1.1、前馈控制系统的结构在热工控制系统中，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。按照这种理论构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时的多。 从以上分析我们可以得出如下结论：若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这种控制就叫做前馈控制或扰动补偿。 前馈控制系统的工作原理可结合下面图1.1 所示。图1.1 前馈控制原理图图1.1中虚线部分为缩影入的控制部分。G1(s)、G3(s)为干扰源至系统的干扰通道传递函数；Gd(s)为前馈调节器的传递函数；G2(s)、G3(s)为干扰源至系统输出的控制通道传递函数。系统输出为：Y=XG1G2G3+M(GdG2+Gf)G3 (1-1)有式（1-1）可知：M为干扰信号，只要测出M及干扰通道Gf就可以构造Gd，则： Gd=-Gf/G2 (1-2)从而消除干扰的影响。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控制通道，使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制。利用扰动所附加的控制量与扰动对被控变量影响的叠加消除或减小干扰的影响。1.2、前馈控制系统的特点前馈控制系统只要有以下几个特点：1）属于开环控制。只要系统中各环节是稳定的，控制系统就必定稳定。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系统的每一部分的精度，所以对系统的各环节精度要求较高。2）很强的补偿局限性前馈控制系统实际是同一干扰源通过干扰通道和前馈通道对系统作用的叠加来消除干扰的影响。因此，固定的前馈控制系统只对相应的干扰源器作用，而对其他干扰没有影响。而且，在实际的工程应用中，影响往往是多种多样，系统随时间、工作状态、环境等变化，也会发生变化甚至使是非线性的，这些都可能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。所以前馈控制系统即使对单一干扰也难以完全控制。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的反应速度。在扰动发生后，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。这非常有利于大延迟滞系统控制。4）只能用于可测的干扰对不可测干扰，由于不能构造前馈控制器而不能使用。1.3、前馈-反馈混合控制根据前馈控制的特点可以看出，前馈控制虽然调节速度快等优点，但仍然存在很大的局限性，只能对已知的、单一的干扰进行抑制，对于实际应用中的不确定干扰，并不能起到有效的作用。所以为了使系统根据有抗干扰性和准确性，可以对系统引入反馈调节，即：前馈-反馈混合控制。系统有两种形式。（1）前馈-反馈复合控制方式一的工作原理图如图1.2所示图1.2 前馈-反馈复合控制系统方式一系统扰动传递函数为： Y(s)M(s)=Gfs+GdsG1sG2(s)1+GcsG1sG2(s)H(s) （1-3）而再单纯的前馈控制下，系统对扰动的传递函数为：Y(s)M(s)=Gfs+GdsG1sG2(s) （1-4）可见，前馈-反馈复合控制与单纯的前馈控制相比，扰动量对被控量的影响为原来的1/（Gfs+GdsG1sG2(s)），扰动影响减小了，同时又增加了反馈调节能力。前馈-反馈复合控制实现干扰全补偿的条件为： Gds=-Gf(s)G1(s) （1-5）（2）前馈-反馈复合控制方式二的工作原理图如图1.3所示图1-3前馈-反馈复合控制方式二对图1-3所示的系统结构，输出对于干扰的传递函数Y(s)M(s)=Gfs+GdsG1sG2(s)1+GcsG1sG2(s)H(s) （1-6）前馈-反馈复合控制实现干扰全补偿的条件为： Gds=-Gf(s)Gc(s)G1(s) （1-7）对图1-3所示系统前馈补偿器取决于过程扰动通道、控制通道特性和反馈控制器规律。总结：采用前馈-反馈系统对某一个或某几个系统影响显著的扰动在影响系统输出之前进行提前补偿，而对于起扰动可利用反馈控制，通过输出的变化进行偏差补偿。前馈-反馈复合控制的两种形式，其控制性能相同。2、前馈-反馈混合控制系统的设计2.1、锅炉汽水系统介绍如图2.1所示，经过处理后的水通过给水母管在给水调节器作用下，流经省煤器被加热后送入汽包，然后在汽包和管束系统中进行自然对流交换，汽包产生的蒸汽在上汽包中分离，从主汽管流出，在过热器中进行一步加热形成过热蒸汽后流向分汽缸，以便与工业生产以及其他用它用途。图2.1 锅炉气泡系统图2.2、汽包水位特性及其控制汽包和蒸发管系统中储藏着蒸汽和水，储存量的多少是以被控制量水位来表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量的时候，汽包水位就能恒定不变，引起水位变化的主要是蒸汽量的变化和给水量的变化。如果只考虑主要扰动，则汽包水位对象的动态特性方程可以示为： （2-1）式子中，T1，T2为时间常数，TW为给水流量项时间常数，TD为蒸汽流量项时间常数，KW为给水流量项的放大系数，KD为蒸汽流量项的放大系数。2.2.1、汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么给水量发生变化的时候，汽包水位的微分方程可以表示为： （2-2） 从而可以得到汽包水位在给水量的作用下的传递函数：（2-3）Tw的数值一般很小常常可以忽略不计，对于一些锅炉，在给水量增加较长时间里，汽包水位并不增加，存在较长一段时间的起始惯性。可以用以下式子近似表示为： （2-4）由于要得出此动态数学模型必须通过现场数据采集和数据分析处理，最后可以得到锅炉汽包水位在给谁流量作用下的数学动态模型，在本次课设中，我查阅相关资料了选取了一个实例的动态数学模型： （2-5）在给水流量的阶跃输入作用下，当突然加大给水量（蒸汽量不变）是给水量大于蒸汽量，但是因为温度较低的给多水进入了水环系统，使他从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的损失，汽包减少。经省煤器进入汽包给水，首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间，这时虽然给水量增加，但是水位还是基本保持不变。但水面下汽包的体积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于储存量的增加而逐渐上升。当水面下汽包体积不再变化，完全稳定下来时，水位就随着存水量的增加而上升。2.2.2、汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动的动态特性可以用下面式子表示： （2-6）在其它条件不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高（水量实际上在减少）。这种压力下降而非水量增加导致的汽包水位上升的现象成为“虚假水位”现象，图2.2给出了在蒸汽流量扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线。图2.2 蒸汽流量阶跃扰动作用下的汽包水位相应曲线当蒸汽流量D突然增加DD时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽大于给水量，水位应下降，如图曲线DH1，实际上，由于蒸汽流量的增加瞬时间必然导致汽包压力下降。汽包内的沸腾突然增加，水中气泡迅速增加，由于气泡的体积增加使水位的响应曲线如图中DH2,而实际显示的水位曲线应该是DH为DH2和DH1的叠加，即DH=DH1+DH2。从图中可以看出蒸汽用量增加，在开始阶段水位不会下降反而会先上升，然后再下降，这个现象称为“虚假水位”蒸汽扰动时。水位的变化的动态特性用传递函数表示为： （2-7）式中xf为蒸汽流量变化的单位流量时水位的变化速度，K2为响应曲线DH2的放大倍数，T2为响应曲线的DH2时间常数。造成虚假液位的原因：一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化（汽容积增加)而引起汽包水位上升，这是引起汽包虚假液位的主要原因。二是蒸汽流量增加，汽包气压下降，泸水沸点下降，由于锅炉水位饱和水的汽化，是汽包水位随压力下降而升高。虚假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。一般蒸发量为100230t/h的高压锅炉中，当负荷变化10%时，假水位可以达到3040mm.所以克服虚假水位现象带来调节的误动作变得很有必要。查阅一个实例的汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型： （2-8）2.3、汽包水位控制方案按照此次课设的方案是前馈反馈控制系统的设计。所以双冲量控制系统以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈反馈控制系统”。汽包水位的主要扰动是蒸汽流量的变化，如果系统除了汽包水位控制外，还能利用蒸汽流量变化对水流量进行补偿控制，就可以消除或减小虚假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水调节阀的调节及时，这就构成了前馈-反馈双冲量控制系统，如图2.3所示。双冲量控制系统实质是一个前馈控制（蒸汽流量)加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统，当蒸汽流量变化时，调节阀及时按照蒸汽流量的变化变化进行给水流量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服。图2.3双冲量控制系统框图途中加法器将控制器的输出信号和蒸汽流量变送器的信号求和后，控制调节阀的开度，调节给水量。当蒸汽流量变化时，通过前馈补偿直接控制给水调节阀。使汽包进出水量不受虚假水位的影响而及时达到平衡，这样就克服了由于蒸汽流量变换引起假水位变化所造成的汽包水位剧烈波动。引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且还能是给水调节阀的动作及时从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，如果要考虑两条通道在动态上的差异则还需要引入动态补偿环节。在给水量压力比较平稳时，采用双重量控制就能够达到控制要求。3、参数整定3.1、PID参数整定3.1.1、PID各环节对系统控制的作用在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为PID控制，即比例积分微分控制。PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。（1）比例（P）控制比例环节实时地按照一定比例反映系统的偏差量 ，即一旦偏差出现，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例系数Kp越大，系统的调整时间就越短，稳态误差也越小，但Kp过大，会造成超调量过大，引起系统不稳定（2）积分（I）控制积分环节消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。积分系数Ki越大，积分作用越强，稳态误差越小，调整时间越短，但Ki大，会造成稳定性变差.（3）微分（D）控制微分环节能起到超前控制的作用，即在按照偏差变化的速度进行控制，能在偏差很小的时，提前增大控制作用，改善控制品质。通常，微分系数Kd大，系统超调量减小，但Kd大，也会造成系统稳定性下降。3.1.2、PID参数整定方法PID调节是比例积分微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节反应快速、积分调节能消除静态误差以及微分调节提前预见性的特点，是一种比较理想的微分调节规律。简单控制系统的控制品质，与被控过程的特性、干扰信号的形式和大小、控制方案及调节参数等因数密切相关。一旦控制方案确定，受工艺条件和设备特性限制的广义对象特性、干扰特性等因数就完全确定，不可随意改变。这是控制系统的品质完全取决于调节器的参数整定。简单控制系统参数的参数整定，就是通过一定的方法和步骤，确定系统出于最佳过渡控制过程时，调节器的比例度P、积分时间Ti、稳份时间Td的具体参数。所谓的最佳参数整定，就是在某种评价指标下，系统达到最佳控制状态时，调节器的调节规律所对应的一组参数。对于单回路控制系统，较为通用的标准是所谓的“典型最佳调节过程”，即在控制系统的阶跃扰动下，被控参数的过渡过程呈4：1(10:1)的衰减振荡过程。控制器参数整定的方法很多，主要有两大类，一类是理论计算的方法，另一类是工程整定法。理论计算的方法是根据已知的各环节特性及控制质量的要求，通过理论计算出控制器的最佳参数。这种方法由于比较繁琐、工作量大，计算结果有时与实际情况不甚符合，故在工程实践中长期没有得到推广和应用。工程整定法是在已经投运的实际控制系统中，通过试验或探索，来确定控制器的最佳参数。这种方法是工艺技术人员在现场经常使用的。常用的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验法。3.2、系统仿真3.2.1、系统辨识前馈反馈控制系统方框图如图3-1所示：图3-1 前馈反馈控制系统方框图干扰通道传递函数：GfsG2(s)=0.25(8.5s+1)s （3-1）系统被控制部分传递函数为：GfsG2(s)=0.1(8.5s+1)s （3-2）给定部分传递函数为：Gc(s)=1 （3-3）3.2.2、前馈反馈控制系统整定（一）PID参数整定对于PID的参数整定，MATLAB提供了PID自动整定功能，利用其自动调整过后，再由人为进行微调，直至输出曲线达到满意的效果为止。如图3-2所示。图3-2 PID自动调节结果（虚线表示调整之前，实线表示调整之后的结果）调整后的PID参数如图3-3所示：图3-3 调整后的PID参数（二）前馈控制系统参数整定通过前面介绍可得前馈控制补偿器的值为： Kd=lims0GfsG2(s)G1sG2(s)=2.5 （3-4） 如图3-4所示系统加入前馈控制的原理方框图图3-4系统加入前馈控制的原理方框图将补偿器开关打到不同挡位我们可以得到相应的相应的输出曲线，首先将开关打到加入调节函数的位置，得到图3-5所示的结果。图3-5 加入扰动后产生液位降落将开关打到只受Kd调节位置，得到图3-6所示的结果图3-6 将开关打到只受Kd调节位置得到的结果从两次分析可以看出，图3-6的结果更为优良，系统几乎不受蒸汽扰动的影响。此前馈调节器位最佳。3.2.3、构成反馈控制系统前向通道稳定分析不含PID的前向通道函数为：G(s)=0.18.5s2+s （3-5）开环Bode图如图3-7所示。图3-7 前向通道传递函数的bode图由图可以看出，该开环系统稳定。3.3、simulink仿真通过上面的调整，最终得到simulink系统框图和系统仿真图。图3-8 simulink系统连接图图3-9 系统仿真图从图3-9可以得到改控制系统的指标参数：超调量：=（1.257-1）/1=0.257调节时间（取5%）：ts=3.419s震荡次数：N=0延迟时间：td=0.425s上升时间：tr=0.793s峰值时间：tp=1.332s通过对仿真分析，我们可以看出前馈-反馈控制系统对系统的干扰具有优良的抑制作用，特别是对特定的干扰进行抑制，其抑制效果尤为突出。参考文献1周菊华，操高城.北京:冶金工业出版社,2004.22朱全利.电厂锅炉原理及设备.北京:中国电力出版社,2010.104王再英，刘淮霞，陈毅静.北京:机械工业出版社,2011.75冯辉宗，岑明，张开碧，彭向华.北京:控制系统仿真,2009.76Curtis.Johhnson.Process controlinstrumentation technology:6th edtion.北京科学出版社,20047方康玲，过程控制系统（第二版）.武汉理工大学出版社.2002 8王正林，郭阳宽.过程控制与simulink应用.电子工业出版社.20061. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究 12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发 13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制 14. 基于单片机的自动找平控制系统研究 15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发 16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发 17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现 18. 一种基于单片机的轴快流CO,2激光器的手持控制面板的研制 19. 基于双单片机冲床数控系统的研究 20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制 21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制 22. 基于单片机的软起动器的研究和设计 23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究 24. 基于单片机的机电产品控制系统开发 25. 基于PIC单片机的智能手机充电器 26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究 27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究 28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制 29. 基于微型光谱仪的单片机系统 30. 单片机系统软件构件开发的技术研究 31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制 33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用 34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制 35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制 36. 基于单片机的数字磁通门传感器 37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究 38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究 39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制 40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪 41. 基于单片机的电机运动控制系统设计 42. Pico专用单片机核的可测性设计研究 43. 基于MCS-51单片机的热量计 44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站 45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究 46. 基于单片机的轮轨力检测 47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现 48. 基于单片机的电液伺服控制系统 49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制 50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究 51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究 52. 单片机控制的后备式方波UPS 53. 提升高职学生单片机应用能力的探究 54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究 55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究 56. 基于单片机的多通道数据采集系统 57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制 58. 基于单片机的红外测油仪的研究 59. 96系列单片机仿真器研究与设计 60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造 61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现 62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制 63. 基于单片机的气体测漏仪的研究 64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器 65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究 66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计 67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计 68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统 69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统 70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究 71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践 72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现 73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统 74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究 75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统 76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用 78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究 80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发 81. 基于Cygnal单片机的C/OS-的研究82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究 83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现 84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究 85. 基于单片机-免疫计数器自动换样功能的研究与实现 86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现 87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统 88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现 89. 单片机监测系统在挤压机上的应用 90. 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