前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)

1、目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)1.1、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的基本概念.31.2、概念的理解31.3、前饋反饋系統(tǒng)的組成.341.4、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn).41.5、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中前饋前饋控制器的設(shè)計(jì)42、 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1、 S7300系統(tǒng)組成.42.2、 CPU3152DP42.3、 模式選擇開關(guān).452.4、狀態(tài)及故障顯示.5三、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1、 硬件組態(tài).53.2、工程管理器的使用.63.3、新建工程.693.4、組態(tài)監(jiān)控畫面.93.5、組態(tài)變量9103.6、軟件編程.10153.7、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.1517四、 控制系統(tǒng)的調(diào)試五、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1

2、、 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)1.1、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的基本概念 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中既有針對(duì)主要擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆伩刂?，又存在?duì)被調(diào)量采用反饋控制以克服其他的干擾信號(hào)，這樣的系統(tǒng)就是前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。1.2、概念的理解：（1）復(fù)合控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中存在兩種不同的控制方式，即前饋、反饋（2）前饋控制系統(tǒng)的作用是對(duì)主要的干擾信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，可以針對(duì)主要干擾信號(hào)，設(shè)置相應(yīng)的前饋控制器（3）引入反饋控制，是為了是系統(tǒng)能夠克服所有的干擾信號(hào)對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生的影響，除了已知的干擾信號(hào)以外，系統(tǒng)中還存在其他的干擾信號(hào)，這些擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們肯本就考慮不到或

3、是無法測(cè)量，都通過反饋控制來克服。（4）系統(tǒng)中需要測(cè)量的信號(hào)既有被調(diào)量又有擾動(dòng)信號(hào)。1.3、前饋反饋系統(tǒng)的組成前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)主要由一下幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成（1）擾動(dòng)信號(hào)測(cè)量變送器：對(duì)擾動(dòng)信號(hào)測(cè)量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號(hào)（2）被調(diào)量測(cè)量變送器：對(duì)被調(diào)量測(cè)量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號(hào)（3）前饋控制器：對(duì)干擾信號(hào)完全補(bǔ)償（4）調(diào)節(jié)器：反饋控制調(diào)節(jié)器，對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)（5）執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（6）擾動(dòng)通道對(duì)象：擾動(dòng)信號(hào)通過該通道對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生影響（7）控制通道對(duì)象：調(diào)節(jié)量通過該通道對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)前饋反饋復(fù)合系統(tǒng)的原理方框圖如圖所示 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的原理圖（1）為了方便分析，通常將前饋反饋復(fù)合系統(tǒng)的原理圖簡化為下圖

4、 前饋控制系統(tǒng)的簡化原理圖（2）1.4、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）系統(tǒng)綜合了反饋、前饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了他們的缺點(diǎn)，因而前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的到了廣泛的應(yīng)用（2）引入前饋補(bǔ)償沒有影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性：很顯然，前饋無論加在什么位置，都不會(huì)構(gòu)成回路，系統(tǒng)的特征式都保持不變，因而不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）引入反饋控制后，前饋完全補(bǔ)償條件并沒有改變。1.5、前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中前饋前饋控制器的設(shè)計(jì)前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中前饋前饋控制器的傳遞函數(shù)是有完全補(bǔ)償性原理來求解的由圖2可求得要使擾動(dòng)Z(s)得到完全補(bǔ)償，即Z(s)變化時(shí)不對(duì)C(s)產(chǎn)生影響應(yīng)有：二、 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1、 S73

5、00系統(tǒng)組成有中央處理器（CPU）、電源單元（PS）、信號(hào)模塊（SM）、接口模塊（IM）、功能模塊（FM）、通訊模塊（CP）、特殊模板 (SM 374仿真器)2.2、 CPU3152DPCPU 315-2DP：具有中到大容量程序存儲(chǔ)器和PROFIBUS DP主/接口，比較適用于大規(guī)模的I/O配置或建立分布式I/O系統(tǒng)。2.3、 模式選擇開關(guān)（1）RUN-P：可編程運(yùn)行模式。在此模式下，CPU不僅可以執(zhí)行用戶程序，在運(yùn)行的同時(shí)，還可以通過編程設(shè)備（如裝有STEP 7的PG、裝有STEP 7的計(jì)算機(jī)等）讀出、修改、監(jiān)控用戶程序。（2）RUN：運(yùn)行模式。在此模式下，CPU執(zhí)行用戶程序，還可以通過編程

6、設(shè)備讀出、監(jiān)控用戶程序，但不能修改用戶程序。（3）STOP：停機(jī)模式。在此模式下，CPU不執(zhí)行用戶程序，但可以通過編程設(shè)備（如裝有STEP 7的PG、裝有STEP 7的計(jì)算機(jī)等）從CPU中讀出或修改用戶程序。在此位置可以拔出鑰匙。（4） MRES：存儲(chǔ)器復(fù)位模式。該位置不能保持，當(dāng)開關(guān)在此位置釋放時(shí)將自動(dòng)返回到STOP位置。將鑰匙從STOP模式切換到MRES模式時(shí)，可復(fù)位存儲(chǔ)器，使CPU回到初始狀態(tài)。2.4狀態(tài)及故障顯示SF（紅色）：系統(tǒng)出錯(cuò)/故障指示燈。CPU硬件或軟件錯(cuò)誤時(shí)亮。BATF（紅色）：電池故障指示燈（只有CPU313和314配備）。當(dāng)電池失效或未裝入時(shí)，指示燈亮。DC5V（綠色）

7、：5V電源指示燈。CPU和S7-300總線的5V電源正常時(shí)亮。FRCE（黃色）：強(qiáng)制作業(yè)有效指示燈。至少有一個(gè)I/O被強(qiáng)制狀態(tài)時(shí)亮。RUN（綠色）：運(yùn)行狀態(tài)指示燈。CPU處于“RUN”狀態(tài)時(shí)亮：LED在“Startup”狀態(tài)以2Hz頻率閃爍；在“HOLD”狀態(tài)以0.5Hz頻率閃爍。STOP（黃色）：停止?fàn)顟B(tài)指示燈。CPU處于“STOP”或“HOLD”或“Startup”狀態(tài)時(shí)亮；在存儲(chǔ)器復(fù)位時(shí)LED以0.5Hz頻率閃爍；在存儲(chǔ)器置位時(shí)LED以2Hz頻率閃爍。BUS DF（BF）（紅色）：總線出錯(cuò)指示燈（只適用于帶有DP接口的CPU）。出錯(cuò)時(shí)亮。 SF DP：DP接口錯(cuò)誤指示燈（只適用于帶有DP

8、接口的CPU）。當(dāng)DP接口故障時(shí)亮。2.4、 SM344模擬量輸出模塊主要輸出的4MA20MA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為553027648的數(shù)字信號(hào)。3、 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 3.1、 硬件組態(tài)（1） 建立應(yīng)用工程的一般過程通常情況下，建立一個(gè)應(yīng)用工程大致可分為以下幾個(gè)步驟： 第一步：創(chuàng)建新工程為工程創(chuàng)建一個(gè)目錄用來存放與工程相關(guān)的文件。 第二步：定義硬件設(shè)備并添加工程變量添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量，包括內(nèi)存變量和 I/O 變量。 第三步：制作圖形畫面并定義動(dòng)畫連接按照實(shí)際工程的要求繪制監(jiān)控畫面并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對(duì)象產(chǎn)生動(dòng)態(tài)效果。 第四步：編寫命令語言通過腳本程序的編寫以完成較復(fù)雜

9、的操作上位控制。 第五步：進(jìn)行運(yùn)行系統(tǒng)的配置對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)、用戶等進(jìn)行設(shè)置，是系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場(chǎng)前的必備工作。 第六步：保存工程并運(yùn)行完成以上步驟后，一個(gè)可以拿到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的工程就制作完成了。3.2、工程管理器的使用組態(tài)王工程管理器是用來建立新工程， 對(duì)添加到工程管理器的工程做統(tǒng)一的管理。 工程管理器的主要功能包括：新建、刪除工程，對(duì)工程重命名，搜索組態(tài)王工程，修改工程屬性，工程備份、恢復(fù)，數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入導(dǎo)出，切換到組態(tài)王開發(fā)或運(yùn)行環(huán)境等。3.3、新建工程打開組態(tài)王后單擊此快捷鍵，彈出新建工程對(duì)話框建立組態(tài)王工程，點(diǎn)擊工程管理器上的“新建”，彈出“新建工程向?qū)е弧比鐖D點(diǎn)擊“

10、下一步”彈出“新建工程向?qū)е?，畫面如圖點(diǎn)擊“瀏覽” ，選擇新建工程所要存放的路徑如圖點(diǎn)擊“打開” ，選擇路徑完成，如圖點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入“新建工程向?qū)е?，如圖所示，在“工程名稱”處寫上要給工程起的名字?！肮こ堂枋觥笔菍?duì)工程進(jìn)詳細(xì)說明（注釋作用） ，我們的工程名稱是“流量液位前饋反饋控制系統(tǒng)”點(diǎn)擊“完成”會(huì)出現(xiàn)“是否將新建的工程設(shè)為組態(tài)王當(dāng)前工程”的提示，如下圖選擇“是” ，生成下圖所示：組態(tài)王的當(dāng)前工程的意義是指直接進(jìn)開發(fā)或運(yùn)行所指定的工程。3.4、 組態(tài)監(jiān)控畫面1） 測(cè)試要求的組態(tài)流程圖界面（要求復(fù)顯） ，如圖所示3.5、組態(tài)變量3.6、軟件編程1） STEP_5.5的使用STE

11、P7軟件后單機(jī)文件新建項(xiàng)目名稱為流量液位前饋反饋如圖所示點(diǎn)擊確定后右鍵流量液位前饋反饋后插入新對(duì)象SIMTTC 300站點(diǎn)如圖所示打開SIMTTC 300(1)進(jìn)行硬件編程如圖所示2） 模塊量程轉(zhuǎn)換模塊FC201將553027648轉(zhuǎn)化成0100%如圖FC202將0100%轉(zhuǎn)化成553027648如圖前饋反饋的算法如圖所示1、 FB41功能描述使用SFB 41/FB 41 "CONT_C"進(jìn)行連續(xù)控制引言SFB/FB "CONT_C" (連續(xù)控制器)在SIMATIC S7可編程邏輯控制器上使用，通過持續(xù)的輸入和輸出變量來控制工藝過程。在參數(shù)分配期間，可以

12、通過激活或取消激活PID控制器的子功能使控制器適應(yīng)過程的需要。使用參數(shù)分配工具可以輕松完成分配(菜單路徑：開始 > Simatic > Step7 > 分配PID控制參數(shù))。開始 > Simatic > Step7 > 分配PID控制(英文)中提供了在線電子手冊(cè)。應(yīng)用可以使用該控制器作為PID固定設(shè)定值控制器或在多循環(huán)控制中作為層疊、混料或比率控制器。該控制器的功能基于使用模擬信號(hào)的采樣控制器的PID控制算法，必要時(shí)可以通過加入脈沖發(fā)生器階段進(jìn)行擴(kuò)展，為使用成比例執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)步驟控制器生成脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制輸出信號(hào)。注意只有在以固定時(shí)間間隔調(diào)用塊時(shí)，在

13、控制塊中計(jì)算的值才是正確的。為此，應(yīng)該在周期性中斷OB (OB30至OB38)中調(diào)用控制塊。在CYCLE參數(shù)中輸入采樣時(shí)間。描述除了設(shè)定值和過程值分支中的功能，SFB/FB還通過持續(xù)操作變量輸出和手動(dòng)影響操作值的選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了完整的PID控制器。 下文提供了對(duì)這些子功能的詳細(xì)說明：設(shè)定值分支以浮點(diǎn)格式在SP_INT輸入鍵入設(shè)定值。過程變量分支可以外設(shè)(I/O)或以浮點(diǎn)格式輸入過程變量。CRP_IN功能根據(jù)以下公式將PV_PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換為介于 -100和 +100 %間的浮點(diǎn)格式值：Output of CPR_IN=PV-PER* 100/27648PV_NORM功能根據(jù)以下公式統(tǒng)一CRP_IN輸

14、出的格式：PV_NORM的輸出 = (CPR_IN的輸出) * PV_FAC + PV_OFFPV_FAC的默認(rèn)值為1，PV_OFF的默認(rèn)值為0。出錯(cuò)信號(hào)設(shè)定值和過程變量間的差異就是出錯(cuò)信號(hào)。為消除由于操作變量量化導(dǎo)致的小幅恒定振蕩(例如，在使用PULSEGEN進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí))，將死區(qū)應(yīng)用于出錯(cuò)信號(hào)(DEADBAND)。如果DEADB_W = 0，將關(guān)閉死區(qū)。PID算法PID算法用于定位計(jì)算。比例、積分(INT)和微分(DIF)操作以并聯(lián)方式連接，因而可以分別激活或取消激活。這使對(duì)P、PI、PD和PID控制器進(jìn)行組態(tài)成為可能。還可以對(duì)純I和D控制器進(jìn)行組態(tài)。手動(dòng)值可以在手動(dòng)和自動(dòng)模式間進(jìn)行切換

15、。在手動(dòng)模式下，使用手動(dòng)選擇的值更正操作變量。積分器(INT)內(nèi)部設(shè)置為LMN - LMN_P - DISV，微分單元(DIF)設(shè)置為0并在內(nèi)部進(jìn)行匹配。這意味著切換到自動(dòng)模式不會(huì)導(dǎo)致操作值發(fā)生任何突變。操作值使用LMNLIMIT功能可以將操作值限制為所選擇的值。輸入變量超過限制時(shí)，信號(hào)位會(huì)給予指示。LMN_NORM功能根據(jù)以下公式統(tǒng)一LMNLIMIT輸出的格式：LMN = (LMNLIMIT的輸出) * LMN_FAC + LMN_OFFLMN_FAC的默認(rèn)值為1，LMN_OFF的默認(rèn)值為0。也可以得到外設(shè)格式的操作值。CPR_OUT功能根據(jù)以下公式將浮點(diǎn)值LMN轉(zhuǎn)換為外設(shè)值：LMN_PER

16、=LMN*27648/100前饋控制可以在DISV輸入前饋干擾變量。初始化SFB 41 "CONT_C"有一個(gè)在輸入?yún)?shù)COM_RST = TRUE時(shí)自動(dòng)運(yùn)行的初始化程序。在初始化過程中，將把積分器內(nèi)部設(shè)置為初始化值I_ITVAL。以周期性中斷優(yōu)先級(jí)調(diào)用它時(shí)，它會(huì)從此值開始繼續(xù)工作。將所有其它輸出設(shè)置為它們各自的默認(rèn)值。故障信息不使用出錯(cuò)輸出參數(shù)RET_VAL。3.7、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析當(dāng)給定值為30時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示當(dāng)給出一個(gè)階躍信號(hào)時(shí)輸出如圖所示當(dāng)給出一個(gè)正擾動(dòng)時(shí)輸出如圖所示六、 控制系統(tǒng)的調(diào)試1） PID參數(shù)的調(diào)節(jié)1 臨界比例度法這是目前使用較廣的一種方法，具體作法如下：先

17、在純比例作用下（把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到零），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會(huì)得到一個(gè)臨界振蕩過程，如圖2所示。這時(shí)的比例度叫臨界比例度k，周期為臨界振蕩周期Tk。記下k和Tk，然后按表1的經(jīng)驗(yàn)公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。圖2 臨界振蕩示意圖表1 臨界比例度法數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)作用比例度（%）積分時(shí)間Ti（分）微分時(shí)間Td（分）比例2k比例積分2.2k0.85Tk比例微分1.8k0.1Tk比例積分微分1.7k0.5Tk0.125Tk這種方法在下面兩種情況下不宜采用：1）、臨界比例度過小，因?yàn)檫@時(shí)候調(diào)節(jié)閥很容易處于全開及全關(guān)位置，對(duì)于工藝生產(chǎn)不利，舉例來說，對(duì)于一個(gè)用

18、燃料油（或瓦斯）加熱的爐子，如很小，接近雙位調(diào)節(jié)，將一會(huì)兒熄火，一會(huì)兒煙囪濃煙直沖。2）、工藝上約束條件較嚴(yán)格時(shí)，因?yàn)檫@時(shí)候如達(dá)到等幅振蕩，將影響生產(chǎn)的安全運(yùn)行。2 衰減曲線法臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。（1）、4：1衰減曲線法使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn)4：1的衰減比為止，如圖3所示。記下此時(shí)的比例度s。再按表2的經(jīng)驗(yàn)公式來確定PID數(shù)值。圖3 4：1衰減調(diào)節(jié)過程曲線表2 4：1衰減曲線法數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)作用比例度（%）積分時(shí)間Ti（分）微分時(shí)間

19、Td（分）比例s比例積分1.2s0.5Ts比例積分微分0.8s0.3Ts0.1Ts（2）、10：1衰減曲線法有的過程，4：1衰減仍嫌振蕩過強(qiáng)，可采用10：1衰減曲線法。方法同上，得到10：1衰減曲線，記下此時(shí)的比例度s和上升時(shí)間Ts，再按表3的經(jīng)驗(yàn)公式來確定PID的數(shù)值。衰減曲線如圖4所示。圖4 10：1衰減曲線示意圖表3 10：1衰減曲線法數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)作用比例度（%）積分時(shí)間Ti（分）微分時(shí)間Td（分）比例s比例積分1.2s比例積分微分0.8s.3 經(jīng)驗(yàn)試湊法這是在生產(chǎn)實(shí)踐中所總結(jié)出來的方法，目 前應(yīng)用最為廣泛，其步驟簡述如下： （e）1）、根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，先把P、 圖5 用衰減曲線法現(xiàn)場(chǎng)整定 I、D各參數(shù)放在基本合適的數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來的（按4：1衰減），其范圍大致如表4所示。但也有特殊情況超出表列的范圍，例如有的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分時(shí)間長達(dá)15分鐘以上，有的流量系統(tǒng)的比例度可到200%左右等等。表4 各調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)系統(tǒng)比例度（%）積分時(shí)間Ti（分）微分時(shí)間Td（分）說明流量40-1000.1-1對(duì)象時(shí)間常數(shù)小，并有雜散擾動(dòng)，應(yīng)大，Ti較短，不必用微分。壓力30-700.4-3對(duì)象滯后一般不大，略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5小，Ti較大，要求不高時(shí)可不用積分，不用微分。溫度20-6