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、 2、 3、

学习前馈调节规律

学习前馈控制系统的组成原理 掌握前馈控制器的设计方法

二、实验设备 1、 2、

四水箱实验系统DDC实验软件 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：

GFC(s)=−

Gf(s)Gp(s) （8－1）

式中： GFC(s)——前馈控制器的传递函数

Gf(s)——干扰通道的传递函数

Gp(s)——对象通道的传递函数

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。

- 1 -

实验指导书

干扰流量前馈控制器干扰通道－给定值×＋－测量变送PID控制器＋×调节器双容水箱＋＋×液位

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Gp(s)。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；

2、 获得干扰通道的数学模型

即计算Gf(s)。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；

3、 计算前馈控制器的数学模型 根据（8－1）式有 GFC(s)=−

Gf(s)Gp(s)

至此，我们完成前馈控制器的设计。 四、实验步骤 １、进入实验

运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面，选择实验模式为“实物模型”； 单击实验菜单，进入前馈反馈控制实验界面， ２、选择控制回路

A、

选择对象

在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：

- 2 -

实验指导书

从两个回路中任选一个。 B、 组成控制回路

当选择“前馈控制回路1”时，打开阀门K31，同时为引入干扰，打开阀门K32 当选择“前馈控制回路2”时，打开阀门K41，同时为引入干扰，打开阀门K42

３、初始化控制系统

a、将PID控制器设置成手动

先单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签，弹出PID控制器界面，然后单击PID控制器界面的“手动”按钮； b、使前馈控制器的输出无效

单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签弹出PID控制器界面后，单击PID控制器界面的“参数设置”按钮，弹出PID控制器参数设置界面，如下图所示：

单击界面中的“前馈引入标志”检查框，打勾表示选中，空白表示未选中，这里不选中。

C、设置管路2的输出为零

单击实验界面上的“设置U2”按钮，在弹出的设置界面中，通过键盘将U2阀度设为零。 ４、设置PID控制器参数

- 3 -

实验指导书

根据对象特性，设置PID控制器参数： P＝

I＝

D＝

并通过键盘输入到控制器参数设置界面中，具体参见前面的实验。

５、设置前馈控制器参数

a、计算前馈控制器的数学模型

按实验原理部分描述的方法进行计算。 期望表达式为：GFC(s)=KFC

T1s+1−TaoS

l T2+1

模型参数为：KFC、T1、T2和Tao b、输入控制器的模型参数

单击实验界面中相应控制回路的前馈控制器标签，弹出前馈控制器界面，如下图所示：

通过键盘，输入模型参数 ６、PID控制器投入运行

将PID控制器设置成自动，单击PID控制器的“自动”按钮； 根据控制效果，调整PID控制器参数。 ７、引入和撤除干扰

此时前馈控制器不起作用。

在此实验中，用管路2的流量作干扰流量，因此用流量Q2作干扰流量。

单击实验界面的“设置U2”按钮，在弹出的输出设置窗体中，通过键盘设置一个输出量，等待控制器控制液位平稳。当被控对象液位平稳时，再将U2设置成零，重新等待液

- 4 -

实验指导书

位平稳。

８、查看反馈控制的效果

通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，测绘趋势曲线，并进行评估。 ９、引入前馈控制作用

单击PID控制器界面的“参数设置”按钮，在弹出的参数设置界面中，单击选中“前馈引入标志”检查框。 10、 引入和撤除干扰 重复第9步的操作。 11、 查看前馈－反馈控制的效果

通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，测绘趋势曲线，并进行评估。 12、 实验记录

记录控制的调节参数，并利用趋势窗体查看控制效果，并结果记录在下表中：

时间 PID 控制参数

D（s）

前馈控制器 参数

KFCT1（s） T2（s） Tao（s）

超调量（％） 过渡时间（s） 效果评估

13、

结果分析

P I（s）

分别测绘单独反馈作用和前馈反馈作用的控制效果曲线，并分析之。 五、注意事项

四水箱实验系统DDC实验软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库”不在使用。 六、实验报告

- 5 -

实验指导书

1、 2、 3、

测绘PID控制器对干扰的抑制效果曲线，并分析 测绘前馈－反馈控制对干扰的抑制效果曲线，并分析 比较两种控制效果，并给出你的看法分析

七、思考题 1、 2、 3、

简述前馈控制系统的组成原理。 如何进行前馈控制器的设计？ 为什么前馈控制能更好地抑制干扰？

- 6 -