北华航天工业学院课程设计报告（论文）设计课题：前馈反馈控制系统的设计与整定专业班级：学生姓名：指导教师：设计时间：2013年12月06日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06日注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。

课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。

内容摘要液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。

对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。

而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。

目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。

具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。

目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。

本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。

而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。

一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。

对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。

引入前馈控制可以获得显著的控制效果。

前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。

如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。

索引关键词：前馈—反馈控制PID 自动控制液位控制目录一概述 (1)二方案设计与论证 (1)三单元电路设计与参数计算 (2)3.1. 调节器 (2)3.2. 比例器 (5)3.3. 调节阀 (5)3.4. 变频器 (6)3.5. 液位变送器 (7)3.6. 流量计 (7)3.7. 水箱 (8)四总原理图及元器件清单 (8)五安装与调试 (9)六性能测试与分析 (10)七结论 (11)八心得体会 (12)九参考文献 (12)一、概述单容水箱在工业控制中应用非常广泛。

单容水箱的液位控制，就是控制进水量，使其与出水量将配合，保持液位在工艺要求的范围内。

在单容水箱的基础上，加上旁路干扰支路，模拟进水量的扰动，从而导致液位出现超调，被控量在相应时间上落后，由于单回路控制在时间上滞后较大，所以扰动出现后的调节时间较长。

前馈控制是按照扰动的大小和方向，产生相应的补偿作用，削弱扰动对被控过程的影响，从而减小超调，甚至没有超调。

本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容水箱具有非线性、滞后、耦合等特征，是典型的实验设备，可用于检验各种理论控制在非线性、滞后系统中的应用效果。

而控制系统选择单回路控制系统，以及在单回路的基础上加前馈控制，形成前馈——反馈控制系统。

比较两种控制系统在应用中的区别和优势。

单回路反馈系统通常采用PID算法控制，基于偏差来消除偏差，控制作用产生在被控量变化之后，因此不能及时地消除偏差。

前馈控制是基于扰动来补偿扰动对被控量的影响，控制作用产生在被控量变化之前，所以能及时地消除偏差达到很好的响应效果。

但是前馈控制属于开环控制，无法检验响应，通常无法单独使用，所以与单回路结合，采用前馈——反馈控制方法，可以既保留了反馈控制良好的跟随给定的优点，有弥补了抗扰特性的不足，可实现很好的控制效果。

二、方案设计与论证设计采用前馈反馈控制来实现水箱的液位控制。

其中前馈控制可以补偿干扰对被控变量的扰动，前馈控制之后产生的余差则可以通过反馈控制进行修正，达到要求的控制精度。

被控变量为水箱的液位，控制变量为水的流量。

采用两个支路，其中第一个支路为主回路，包括一个水泵（采用变频器变频控制电机模拟流量扰动），涡轮流量计；第二个支路为控制补偿回路，包括一个水泵（输出流量恒定），电动控制阀。

除此之外在反馈回路中还需要一个液位测量仪表和PID控制仪表一台。

前馈控制在不考虑控制通道与对象通道延迟，而且支路一流量可以准确的测量，需要一个PID控制仪表。

前馈控制信号和反馈控制信号通过一个加法器连接，实现对控制阀的控制。

前馈-反馈控制系统的原理图如下图所示：图1 前馈——反馈控制系统原理图前馈—反馈控制系统的优点在于：○1前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制及时得多；○2由于增加了反馈控制回路，大大简化了了原有前馈控制系统。

只需对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正；○3反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较通用的模型创造了条件；○4负荷或工况变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定的自适应能力。

三、单元电路设计与参数计算3.1．调节器本课题三台调节器是采用上海万迅仪表有限公司生产的AI全通用人工智能调节器，三台分别是708型仪表、808型仪表，818型仪表。

三台仪表都有温度变送器。

其中708和808是模糊控制型，818是PID控制型。

PV: 显示检测值；SV：显示内给定值或者是外给定值，视接线情况而定。

A/M：键为自动/手动切换开关及小数点移位；：键为运行参数设置按键；：键为给定值设定值增加键；：键为给定值设定值减少值；在给定值仪表内部设定的情况下：1（+）、2（-）为外部检测信号反馈输入端口（电流为4～20mA）；2、3为无效端口；4（+）、5（-）为控制信号输出端口、输出电流4～20mA；图2 仪表操作面板在给定值仪表外部设定的情况下：1（+）、2（-）为外部给定信号输入端口（即设定值输入）输入电流值为4～20mA3（+）、2（-）为反馈信号输入端口，输入电流4～20mA4（+）、5（-）为控制电流输出端口，输出电流值4～20mA。

（注意：2点是给定与反馈信号的公共端点（信号的负端），接线时应该接地。

）参数设定方法：按住两秒钟，PV窗口显示被设参数，SV窗口显示设定，按键移动设定值小数点，按增加设定值。

按减少设定值参数。

参数设定完毕按键一次，则仪表保存设定值，同时显示下一设定参数。

如上述，设置所有需要设置的参数，参数设置完毕不触动任何按钮则仪表过10秒钟返回运行状态。

内给定情况下，在仪表为运行状态时按动、两键增减给定，按动键移动小数点。

外给定情况运行状态下，“、、键无效显示值PV与设定值SV，由外部电流信号决定。

技术规格:●输入规格（一台仪表即可兼容）：模拟量输入：热电偶：K、S、E、J、T、B、N热电阻：Cu50、Pt100线性电压：0～5V、1～5V、0～1V、0～100mV、0～20mV线性电流（需外接分流电阻）：0～10mA、0～20mA、4～20 mA●控制方法：PID控制电流/电压输出， PID控制继电器开关量输出PID正转/反转阀位控制位式ON/OFF带回差●输出信号：模拟量输出：0～10mA（负载电阻小于≤750Ω）4～20mA（负载电阻小于≤500Ω）0～ 5 V （输出电阻小于≤250Ω）1～ 5 V （输出电阻小于≤250Ω）开关量输出继电器控制输出；（220VAC/3A或24VDC/5A，阻性负载）继电器正转、反转输出——继电器ON/OFF带回差，触点容量220VAC/3A或24VDC/6A，阻性负载.。

可控硅控制输出——SCR（可控硅过零点触发脉冲）输出，400V/0.5A固态继电器输出——SSR（固态继电器控制信号）输出，6～24V/30mA馈电输出 DC24V，负载≤30mA●报警方式：可选择继电器上限、下限报警输出，LED指示可选择继电器上上限报警输出，LED指示可选择继电器下下限报警输出，LED指示可选择继电器偏差内报警输出，LED指示可选择继电器偏差外报警输出，LED指示可选择继电器LBA 报警输出，LED 指示● 手动功能：手动/自动双向无扰动切换● 电源：220VAC/50～60Hz● 电源消耗：≤5W （AC220线形电源供电）● 环境温度：0～50度● 相对湿度：≤85 RH常用的参数及功能有：Ctrl 控制方式：Ctrl=2，启动自整定， Ctrl=3， 整定结束；Sn 输入规格：Sn=33，1-5V 电压输入， Sn=32，0.2-1V 电压输入， Sn=20，热电阻输入；Dip 小数位数：dip=0，小数点位数为0；op1 输出方式：op1=4，4～20 mA 线形电流输出；Dih 输出上限：做液位控制时，dih=450/300/190，做温度、流量、压力控制时，dih=100；Dil 输入下限：一般dil=0；CF 系统功能选择：单回路控制CF=2；需要外部给定时CF=8。

Run运行状态选择：run=0，手动调节状态；run=1，自动调节状态； 3.2．比例器本课题用的比例器是宁波市精诚自动化设备生产的比例器，输出电流4～20mA ，工作电源24（1±5%）V DC 。

比例器运算公式：2211K I K I Iout ⋅-⋅=I 1,I 2,Iout 范围：4～20mAK 1,K 2：为比例系数，范围0.1～1比例器主要是作为电流相加减使用，当只使用一路时，则只能使用I 1、Iout ： 即：11K I Iout ⋅=使用匹配方式：（I 1,I 2,Iout ）或（I 1,Iout ）两种，K1,K2电位器左旋到底则为比列系数最小;右旋到底为比例系数最大。

3.3．调节阀采用美国霍尼威尔的智能电动调节阀，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。

该电动调节阀具有自反馈系统只需要在外部加4～20mA电流即可控制，4mA 为全关状态，20mA为全开状态，在无输入信号的情况下电动调节阀处于全关状态。

设计时已将电动调节阀控制信号输入端口引至主控制屏面板，使用时只需要将4～20mA电流输入控制端口即可。

图3 比例器3.4．变频器采用西门子MM440变频器，P700=2，P1000=2。

MICROMASTER 440是专门针对与通常相比需要更加广泛的功能和更高动态响应的应用而设计的。

这些高级矢量控制系统可确保一致的高驱动性能，即使发生突然负载变化时也是如此。

由于具有快速响应输入和定位减速斜坡，因此，甚至在不使用编码器的情况下也可以移动至目标位置。

该变频器带有一个集成制动斩波器，即使在制动和短减速斜坡期间，也能以突出的精度工作。