题目12下水箱液位前馈"反馈控制一、 课程设计目的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、 课程设计使用的实验设备1. THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置2. 计算机及相关软件三、 实验工作原理本实验的被控制量为下水箱的液位，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，它与给定 量比较后产生的差值为调节器的输入，其输出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 影响本实验系统的结构图和方框图如图12-1所示图12-1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）GKs）+F（s）Gf（s）Go（s）=0GF(s)=- (12-1)F G°(s)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(s)用比例器来实现，如图其值 F按本章式(12-1)来计算四、静态放大系数kf的整定方法(一) 开环整定法开环整定法是在系统断开反馈回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数 影响的一种整定法整定时，kf由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的作用，直至被控参数 基本回到给定值上，即实现完全补偿此时的静态参数即为最佳的整定参数值Kp实际上 KF值符合下式关系，即K用=-f (12-2)K0式中：Kp K0分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差二) 前馈-反馈整定法图12-2前馈-反馈系统参数整定方框图在图12-2所示系统反馈回路整定好的基础上，先合上开关K，使系统为前馈-反馈控制系统，然后由小到大调节K值，可得到在扰动f (t)作用下如图12-3所示的一系列响应曲 线，其中图12-3 (b)所示的曲线补偿效果最好a)欠补(b)补偿合适 (c)过补偿图12-3前馈-反馈系统％的整定过程(三) 利用反馈系统整定K值待图12-2所示系统运行正常后，打开开关K，则系统成为反馈控制1、待系统稳定运行，并使被控参数等于给定值时，记录相应的扰动量F0和调节器输出2、 人为改变前馈扰动，使F0变为F『待系统进入稳态，且被控参数等于给定值时， 记录此时调节器的输出值U］。
Kf=3、 按下式计算Kf值(12-3)五、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图12-4所示图12-4实验控制系统流程图本实验主要涉及三路信号，其中两路为现场测量信号，它们分别是下水箱液位和变频器 支路的管道流量；另外一路是控制阀门定位器的控制信号本实验中的变频器支路的管道流量信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入 模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到 PROFIBUS-DP 总线上，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP（CPU315-2 DP 为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP 的传送本实验中的执行机构（阀门定位器）和下水箱液位检测装置（压力变送器）均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过 LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上 挂接有控制器CPU315-2 DP，由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是 双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控 制信号经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。
六、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、F2-4 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1、 接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面2、 在实验主界面中选择本实验项即“下水箱液位前馈-反馈控制实验”，系统进入正常 的测试状态，呈现的实验界面如图12-5所示图12-5系统监控界面3、 在实验界面中点击“启动变频器”按钮启动变频器并在变频器频率设定输入框中 给变频器一个适当的工作频率4、 合上三相电源空气开关，使磁力驱动泵上电打水5、 按单回路的整定方法整定调节器参数，并按整定的参数进行调节器设定按前面静 态放大系数的整定方法整定前馈放大系数所6、 待液位稳定于给定值时，打开阀门F2-4或F2-5,给变频器设定较小频率给中水箱（或 下水箱）打水加干扰（要求扰动量为控制量的5%〜15%,干扰过大可能造成水箱中水溢出）， 观察计算机记录下的水箱液位的响应过程曲线7、 将前馈补偿去掉，即构成双容液位定值控制系统，重复步骤6,用计算机记录系统 的响应曲线，比较该曲线与加前馈补偿的实验曲线有什么不同。
七、设计报告要求1、 画出下水箱液位前馈-反馈控制实验的结构框图2、 用实验方法确定前馈补偿器的静态放大系数，并写出其整定过程3、 根据实验数据和曲线，分析系统在相同扰动作用下，加入前馈补偿与不加前馈补偿的动态性能4、 根据所得的实验结果，对前馈补偿器在系统中所起的作用作出评述。