过程控制课程设计--前馈-反馈控制系统的设计与整定

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。系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成DDC、DCS、PLC、FCS、TCS等多种控制系统。该实验装置既可作为本科、专科、高职过程控制课程的实验装置，也可作为研究生及科研人员在复杂控制系统、先进控制系统研究方面提供物理模拟对象和实现手段。

装置特点:

1．装置由控制对象、控制屏、计算机三部分组成，对象构布局合理，造型美观大方。

2．真实性、直观性、综合性强，控制对象元件全部来源于工业现场。控制屏正面有完整的系统结构图案。

3．参数全面，涵盖了液位、流量、压力、温度等典型参数。

4．PCT-II过程控制实验装置具有控制参数和控制方案的多样化。该装置可通过对其管路上的阀门切换和对模拟信号接线板上信号的连接组合，可构成数十种过程控制实验。

5．在PCT-II过程控制实验装置中充分考虑了大专院校，高等职业技术学院工业自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。

随着对过程控制系统性能要求的不断提高,传统反馈控制策略难以适应不同工况下被控对象动态特性的改变。提出了前馈-反馈复合控制策略,研究了前馈控制器在物理上不可实现情况下的设计方法,给出了具体操作步骤。在过程控制系统中应用的仿真结果表明:前馈-反馈复合控制能够将可测扰动在影响系统输出前得以补偿;系统的动态性能和稳定性能均优于传统反馈控制。解决了扰动通道时滞小于主控通道时,前馈控制器在物理上不可实现的技术难题,对过程控制系统有一定理论意义和工程参考价值。

前馈是通过校正输入来改善控制系统的性能；反馈是通过获得输出误差，

进而校正，得到理想的输出；前馈-反馈控制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。引入反馈控制，是为了使系统能克服所有扰动信号对被调量产生的影响；因为除了已知的主要的扰动信号以外，系统中还存在其它的扰动信号，这些扰动信号对被调量的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们根本就考虑不到或无法测量，都通过反馈控制加以克服。

二、方案设计与论证

本设计通过前馈反馈控制系统实现对液位的控制。

2．1 前馈控制

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，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。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。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈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。

在前馈反馈控制系统中，前馈控制属于开环控制，在设计中经过对主流量的检测，及时的针对主要扰动进行液位的偏差抑制。当流量测量值较预定值发生波动，即时通过计算机进行PID计算，输出控制信号，进行液位调节；反馈控制属于闭环控制，通过对液位的测量，及时对液位进行调控。反馈环节通过对液位的监测，将测量值与给定值进行比较，形成偏差后，通过A/D传输给计算机，进行预先设定的PID计算，输出控制型号，进行液位调节。

2．2 反馈控制

反馈控制（英文名称为Feedback Control），是指从被控对象获取信息，按照偏差的极性而向相反的方向改变控制量，再把调节被控量的作用馈送给控制对象，这种控制方法称为反馈控制，也称作按偏差控制。反馈控制总是通过闭环来实现的。

反馈控制的特点有：按偏差进行调节；调节量小，失调量小；能随时了解

被控变量变化情况；输出影响输入（闭环）。

2．3前馈-反馈控制

前馈——反馈复合控制系统中前馈控制器的传递函数是根据完全补偿性原理求解的。

要使得扰动Z(s)得到完全补偿，即Z(s)变化时不对被调量C(s)产生影响，应有：

解得：

前馈-反馈控制系统的特点：

（1）系统综合了反馈、前馈控制系统的优点，弥补了他们的缺点，因而前馈-反馈控制系统得到了广泛的应用。

（2）引入前馈补偿没有影响到系统的稳定性。

很显然，前馈无论加在什么位置，都不会构成回路，系统的特征式都保持不变，因而不会影响系统的稳定性。

（3）引入反馈控制后，前馈完全补偿条件并没有改变。

前馈-反馈系统主要由以下几个环节构成：

（1）扰动信号测量变送器：对扰动信号测量并转化统一的电信号。

（2）被调量测量变送器：对被调量测量并转化统一的电信号。

（3）前馈控制器：对干扰信号完全补偿。

（4）调节器：反馈控制调节器，对被调量进行调节。

（5）执行器和调节机构。

（6）扰动通道对象：扰动信号通过该通道对被调量产生影响。

（7）控制通道对象：调节量通过该通道对被调量进行调节。

如图1前馈反馈实验流程图和图1 计算机控制前馈反馈控制系统的框图

图1 前馈反馈实验流程图

图2 计算机控制前馈反馈控制系统的框图

2．4前馈反馈控制系统PID算法

前馈反馈控制系统是通过PID控制规律实现对液位控制的最终目的，PID控制是比例—积分—微分的简称。在工业生产工程自动控制的发展历史中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

PID算法具有以下的优点：

（1）原理简单，使用方便；

（2）适应性强；

（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。

PID控制即比例积分微分控制，调节器的输出是其输入的比例，积分，微分的函数。PID控制现在应用最广，技术最成熟。其控制结构简单，参数容易调整，不必求出被控对象的数学模型便可以调节，因此无论模拟调节器或者数字调节器大都采用PID调节规律。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]，其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。

在调节PID控制时，先把微分作用取消掉，只保留PI，先调比例，再调积分，最后加上微分再调。如果振荡过快，加大P。如果振荡后过很久才稳定，减小P。减少积分时间。如果振荡的周期太长，加大积分时间。如果对调节对象变化反应过慢，增大D。最后把波形调到只有一两个振荡就平稳了，就是最好的效果。

2．5 控制方案的论证

2．5．1控制方案的可靠性

控制方案采用前馈反馈控制，前馈反馈控制技作为一种传统的控制方式，在工业生产过程中，技术上的应用已经相当成熟。作为液位控制，在要求控制精度的情况下，不能单纯依靠反馈控制，加入前馈控制后，可以消除提前的扰动对反馈控制的影响。而且对于提前的扰动为已知，比如对液位能够产生的扰动，在这里为管道内的流量，是可以精确测量的量，因此符合采用前馈控制的条件。使得前馈反馈控制的可靠性得到保证。

2．5．2控制方案的安全性

在工业生产过程中，对液位的控制中，容器中的介质类型有很多，可能为常见的水，也可能为化学药剂。因此控制方案和所用仪器仪表的安全性非常重要。对于仪器仪表，我们根据介质的性质不同选用合适的型号即可。对于控制

方案，因为是单纯的液位控制，不涉及化学反应等使介质发生变化的过程，所以关键是控制精度的保证，比如在锅炉中要保证水位的高度，避免水位过高飞溅。在这次设计中设想的介质为水，因此在控制精度得到保证的情况下，控制方案的安全性也得到了保证。

2．5．3控制方案的经济性

由于控制方案选择的是传统的控制方式，控制过程明确，需要的仪器仪表数量较少，因此成本低，较容易实现。

三、仪表的选择及参数的确定

由于不是大型生产过程，对自动化水平要求不高，所以选择采用常规仪表控制。考虑到价格、实用性等因素，选择数字化、智能化的电动控制仪表。

3．1 设备型号

原理图中的用到的每一个设备的型号，输入输出信号的范围，如表 1 设备型号所示。

表1 设备型号

3．2 调节器及其参数的设置

调节器，是将生产过程参数的测量值与给定值进行比较，得出偏差后根据一定的调节规律产生输出信号推动执行器消除偏差量，使该参数保持在给定值附近或按预定规律变化的控制器。调节器分为模拟调节器和数字调节器。

调节器的主要功能是接受变送器送来的测量信号Vi，并将它与给定信号Vs 进行比较得出偏差ε，对偏差ε进行PID连续运算，通过改变PID参数，可改变调节器控制作用的强弱ε。除此之外，还具有测量信号、给定信号及输出信号的指示功能。

电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用智能电动调节阀，具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。执行机构直接接受4～２０mADC或1～５Ｖ控制信号，输出４～２０mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。ZDS系列的阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电机，运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。因此本调节阀具有性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。

技术指标:

电源：220VAC 50HZ 功耗： 5VA

输入信号：4～20mA DC 输入阻抗： 100Ω（4～2０mADC）

输出信号：4～20mA DC

环境温度: —20℃～＋70℃重复精度：±1%

调节器与上位机连接时，需要连接到计算机的COM口。调节器背面接口说明如下：

1 2 端 1～5V电压输入端，

2 3 端 0。2～1V电压输入端，

2 3 4端热敏电阻输入端，

5 7端 4～20mA电流输出端，

9 10端 220V电源输入端，

17 18端输出端（A，B）。

调节器选用上海万迅仪表有限公司的AI708，AI818（有的实验设备用AI808）。液位控制时调节器能自整定出比较理想的参数，如将调节器参数Ctrl=2，则调节器进入自整定调节状态，调节完毕，Ctrl=3。

其需要设置的参数如下：

708 808

M5=10 DF=3 （参考值）

P=6 P=20 （参考值）

T=1 I=434 （参考值）

Ctl=5 d=28 （参考值）

Sn=33 Sn=33 （1-5V电压输入）

Dip=0 Dip=0 （小数点位数为0）

Dil=0 Dil=0

Dih=450 Dih=450

Sc=0 Sc=0

Op1=4 Op1=4

CF=2 CF=2

Run=2 Run=2

Loc=808 Loc=808

在调节器接线时应注意：

（1）接线时注意电源的种类、极性，严防接错电源。

（2）通电前应请指导老师确认无误后方可通电。

（3）动手调校前，应搞清调节器各部件的作用，凡实验中未设计的可调元件一律不得擅自调整。

（4）调节器在调校前应预热15分钟。

3．3仪器仪表的组合安装

自控工程设计中，除了确定恰当的控制方案、选择合适的控制工具（测量仪表、常规二次仪表，DCS系统、FCS系统、PLC系统与各种执行机构）、正确安装仪表之外，还要正确连接各个控制单元来构成控制系统。

控制系统各个单元之间的信号是通过相互连接的电（管）缆、电（管）线进行传递的，连接正确则可正确的传递信号，各个单元可按部就班的协调工作，完成预想的设计目的。如果连接错误，则信号传输错误，相应的接收单元不能接受到相应的信号，此时各单元不能协调工作，也就不能完成预想的设计目的。因此，仪表的正确连接是自动控制系统对生产过程实行控制的前提。

仪表连接的内容除了各个单元之间信号的连接之外，还包括仪表工作时所需能量的连接，即还需要进行仪表电源、气源和液压源的连接。要保证控制系统和仪表的正常工作，仪表连接过程中还需要考虑抗干扰和使用安全问题，因此仪表连接还包括信号电缆屏蔽层接地、仪表接地端子接地等内容。

3．4计算机的参数设置：

其需要设置的参数如下：

XP=100 （参考值）（比例增益）

Ti=4 （参考值）（积分时间秒）

Td=0 （参考值）（微分时间秒）

Sp （计算机控制给定值）

OP （计算机输出值）

PV （液位检测值）

Q KC（反馈系数）

四、实验步骤

1、根据实验系统流程图构成前馈、上水箱液位作为主回路，流量作为前馈信号。打开阀门V15、V3、V6。

2、按附图上水箱液位和流量组成前馈实验接线图接好实验导线。

3、接通总电源和各仪表电源。

4。打开程序SIMATIC Manager，把STP7 5。2V的程序下传到PLCS7-300的主机里，工租管理器界面中，点击FILE\OPEN按扭，选择C:\ PLCPRO\前馈反馈

5．点击OK按扭,然后把程序下载下去。

6．点击按扭后，点击文件、打开按扭，然后选择前馈反馈，在激活既进入前馈反馈对象特性测试及控制实验界面。

7．点击历史曲线按扭，进入PID参数设置界面。点击切换按扭置手动，8．点击PID设定中的Q2进行数据输入使系统液位处于某一平衡位置。

9．改变Q2输出，使系统输入幅值适宜的正向阶跃信号，这时系统输出也有一个变化信号，使系统在较高液位所达到平衡状态。

10．观察计算的液位2的正向阶跃响应历史曲线，直至达到新的平衡为止。点击打印曲线按扭，打印正向阶跃响应曲线。

11．改变输出使系统输入幅值与正向阶跃相等的一个反向阶跃信号，这时系统输出也有一个变化信号,使系统液位下降至一个平衡状态。

12．观察计算机的液经2反向阶跃响应历史曲线，直至达到新的平衡为止。

13。系统稳定后，改变回路中流量的大小，观察液位的变化和计算机上流量及液位的历史曲线的变化。记录并处理历史曲线。

五、实验结果

实验结果如图3前馈反馈记录曲线

图3 前馈反馈记录曲线

六、结论

前馈反馈控制理论的应用非常广泛，对水箱液位的前馈反馈控制便是其中的一个典型应用。随着科学技术和控制理论的进步，出现了很多先进的控制理论。但是传统的控制理论本身也具备容易实施、仪器仪表需求量少，成本低的特所以传统的控制理论仍然有应用的领域。加之中国当前控制技术仍大量采用了传统的控制技术，所以对前馈- 反馈控制的研究仍然有实际应用价值。对水箱的液位前馈反馈控制，在日常生产生活中，应用比较容易实现。

在参考了许多关于过程控制的资料后，对于过程控制工程中使用的仪器仪表以及仪表的安装都有了了解。通过对水箱液位的前馈反馈控制的设计，使得我对前馈反馈控制理论的实现有了深入的了解，过去学习的多是书本上的知识，但是对于整个过程控制系统的设计知之甚少，经过了设计之后通过查阅资料，熟悉了过程控制工程设计的流程。

在接到一个工程项目后，进行自控工程设计时，第一步，要熟悉工艺流程，对工艺熟悉和了解的深度将是重要的因素；第二步，确定自控方案，定出各监测点、控制系统，确定全工艺流程的自控方案；第三步，仪表选型，确定是采用常规仪表还是DCS系统并确定控制方案和所有的监测点；第四步，自控方案确定，仪表选型后，根据工艺特点，可进行控制室的设计。对采用常规仪表时，首先考虑仪表盘的正面布置；第五步，节流装置和调节阀的计算；第六步，仪表供电系统的设计；第七步，依据施工现场的条件，完成控制室与现场间联系的相关设计文件；第八步，根据自控专业有关的其他设备、材料的选用等情况，完成有关的设计文件；第九步，设计工作基本完成后，编写设计文件目录等文件。

经过对水箱液位的前馈反馈控制的设计，对传统控制系统的应用有了具体的理解，并且为以后设计在传统前馈反馈控制基础上的复杂控制系统提供了基础。

七、心得体会

八、参考文献

[1] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000

[2] 陈夕松，华成英．过程控制系统[M]．北京：科学出版社，2006

[3] 熊新民．工业过程控制课程设计指导书[M]。2008

[4］姜秀英等。过程控制系统实训。北京：化学工业出版社,2007

[5］潘立登等。过程控制北京：机械工业出版社，2008

[6］方康玲等。过程控制与集散系统。武汉：华中科技大学出版社,2008 [7] 潘练等。过程控制与集散系统实验教程。武汉：华中科技大学出版社,2008