本科毕业设计论文过程控制课程设计前馈反馈控制系统仿真论文.docx
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本科毕业设计论文过程控制课程设计前馈反馈控制系统仿真论文
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
2016-2017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1
1.1、前馈控制系统的结构1
1.2、前馈控制系统的特点2
1.3、前馈-反馈混合控制3
2、前馈-反馈混合控制系统的设计5
2.1、锅炉汽水系统介绍5
2.2、汽包水位特性及其控制5
2.2.1、汽包水位在给水流量作用下的动态特性6
2.2.2、汽包水位在蒸汽流量的作用下的动态特性7
2.3、汽包水位控制方案8
3、参数整定10
3.1、PID参数整定10
3.1.1、PID各环节对系统控制的作用10
3.1.2、PID参数整定方法10
3.2、系统仿真11
3.2.1、系统辨识11
3.2.2、前馈—反馈控制系统整定12
3.2.3、构成反馈控制系统前向通道稳定分析15
3.3、simulink仿真15
参考文献17
1、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=X·G1G2G3+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:
(1-3)
而再单纯的前馈控制下,系统对扰动的传递函数为:
(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/(
),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:
(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
(1-6)
前馈-反馈复合控制实现干扰全补偿的条件为:
(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D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H1,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H2,而实际显示的水位曲线应该是H为H2和H1的叠加,即HH1H2。
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f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H2的放大倍数,T2为响应曲线的H2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100—230t/h的高压锅炉中,当负荷变化10%时,假水位可以达到30—40mm.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:
(3-1)
系统被控制部分传递函数为:
(3-2)
给定部分传递函数为:
(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3-2PID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:
(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:
(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3-8simulink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:
σ=(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,2004.2
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中国电力出版社,2010.10
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机械工业出版社,2011.7
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控制系统仿真,2009.7
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[7]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.2006
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