前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)

1、目錄課程設(shè)計任務(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.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42、 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計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、實驗結(jié)果分析.1517四、 控制系統(tǒng)的調(diào)試五、 實驗總結(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)中既有針對主要擾動信號進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆伩刂?，又存在對被調(diào)量采用反饋控制以克服其他的干擾信號，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)的作用是對主要的干擾信號進(jìn)行補(bǔ)償，可以針對主要干擾信號，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對被調(diào)量產(chǎn)生的影響，除了已知的干擾信號以外，系統(tǒng)中還存在其他的干擾信號，這些擾動信號對系統(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、是無法測量，都通過反饋控制來克服。（4）系統(tǒng)中需要測量的信號既有被調(diào)量又有擾動信號。1.3、前饋反饋系統(tǒng)的組成前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)主要由一下幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成（1）擾動信號測量變送器：對擾動信號測量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號（2）被調(diào)量測量變送器：對被調(diào)量測量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號（3）前饋控制器：對干擾信號完全補(bǔ)償（4）調(diào)節(jié)器：反饋控制調(diào)節(jié)器，對被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)（5）執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（6）擾動通道對象：擾動信號通過該通道對被調(diào)量產(chǎn)生影響（7）控制通道對象：調(diào)節(jié)量通過該通道對被調(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（1）系統(tǒng)綜合了反饋、前饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點，彌補(bǔ)了他們的缺點，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，都不會構(gòu)成回路，系統(tǒng)的特征式都保持不變，因而不會影響系統(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Z(s)得到完全補(bǔ)償，即Z(s)變化時不對C(s)產(chǎn)生影響應(yīng)有：二、 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1、 S73

5、00系統(tǒng)組成有中央處理器（CPU）、電源單元（PS）、信號模塊（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，還可以通過編程設(shè)備（如裝有STEP 7的PG、裝有STEP 7的計算機(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)在此位置釋放時將自動返回到STOP位置。將鑰匙從STOP模式切換到MRES模式時，可復(fù)位存儲器，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/故障指示燈。CPU硬件或軟件錯誤時亮。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，指示燈亮。DC5V（綠色）

7、：5V電源指示燈。CPU和S7-300總線的5V電源正常時亮。FRCE（黃色）：強(qiáng)制作業(yè)有效指示燈。至少有一個I/O被強(qiáng)制狀態(tài)時亮。RUN（綠色）：運(yùn)行狀態(tài)指示燈。CPU處于“RUN”狀態(tài)時亮：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)時亮；在存儲器復(fù)位時LED以0.5Hz頻率閃爍；在存儲器置位時LED以2Hz頻率閃爍。BUS DF（BF）（紅色）：總線出錯指示燈（只適用于帶有DP接口的CPU）。出錯時亮。 SF DP：DP接口錯誤指示燈（只適用于帶有DP

8、接口的CPU）。當(dāng)DP接口故障時亮。2.4、 SM344模擬量輸出模塊主要輸出的4MA20MA的電流信號轉(zhuǎn)換為553027648的數(shù)字信號。3、 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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，建立一個應(yīng)用工程大致可分為以下幾個步驟： 第一步：創(chuàng)建新工程為工程創(chuàng)建一個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畫連接按照實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象產(chǎn)生動態(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)的配置對運(yùn)行系統(tǒng)、報警、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，一個可以拿到現(xiàn)場運(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，彈出新建工程對話框建立組態(tài)王工程，點擊工程管理器上的“新建”，彈出“新建工程向?qū)е弧比鐖D點擊“

10、下一步”彈出“新建工程向?qū)е?，畫面如圖點擊“瀏覽” ，選擇新建工程所要存放的路徑如圖點擊“打開” ，選擇路徑完成，如圖點擊“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こ踢M(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)”點擊“完成”會出現(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)文件新建項目名稱為流量液位前饋反饋如圖所示點擊確定后右鍵流量液位前饋反饋后插入新對象SIMTTC 300站點如圖所示打開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。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的采樣控制器的PID控制算法，必要時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)的兩個或三個步驟控制器生成脈沖持續(xù)時間調(diào)制輸出信號。注意只有在以固定時間間隔調(diào)用塊時，在

13、控制塊中計算的值才是正確的。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影響操作值的選項實現(xiàn)了完整的PID控制器。 下文提供了對這些子功能的詳細(xì)說明：設(shè)定值分支以浮點格式在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。出錯信號設(shè)定值和過程變量間的差異就是出錯信號。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)，將死區(qū)應(yīng)用于出錯信號(DEADBAND)。如果DEADB_W = 0，將關(guān)閉死區(qū)。PID算法PID算法用于定位計算。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P、PI、PD和PID控制器進(jìn)行組態(tài)成為可能。還可以對純I和D控制器進(jìn)行組態(tài)。手動值可以在手動和自動模式間進(jìn)行切換

15、。在手動模式下，使用手動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模式不會導(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，信號位會給予指示。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"有一個在輸入?yún)?shù)COM_RST = TRUE時自動運(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)先級調(diào)用它時，它會從此值開始繼續(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輸出參數(shù)RET_VAL。3.7、實驗結(jié)果分析當(dāng)給定值為30時實驗結(jié)果如圖所示當(dāng)給出一個階躍信號時輸出如圖所示當(dāng)給出一個正擾動時輸出如圖所示六、 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（把積分時間放到最大，微分時間放到零），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，就會得到一個臨界振蕩過程，如圖2所示。這時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（%）積分時間Ti（分）微分時間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，因為這時候調(diào)節(jié)閥很容易處于全開及全關(guān)位置，對于工藝生產(chǎn)不利，舉例來說，對于一個用

18、燃料油（或瓦斯）加熱的爐子，如很小，接近雙位調(diào)節(jié)，將一會兒熄火，一會兒煙囪濃煙直沖。2）、工藝上約束條件較嚴(yán)格時，因為這時候如達(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，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。記下此時的比例度s。再按表2的經(jīng)驗公式來確定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（%）積分時間Ti（分）微分時間

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，記下此時的比例度s和上升時間Ts，再按表3的經(jīng)驗公式來確定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（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（分）比例s比例積分1.2s比例積分微分0.8s.3 經(jīng)驗試湊法這是在生產(chǎn)實踐中所總結(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，先把P、 圖5 用衰減曲線法現(xiàn)場整定 I、D各參數(shù)放在基本合適的數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實踐經(jīng)驗總結(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)驗數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)系統(tǒng)比例度（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（分）說明流量40-1000.1-1對象時間常數(shù)小，并有雜散擾動，應(yīng)大，Ti較短，不必用微分。壓力30-700.4-3對象滯后一般不大，略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5小，Ti較大，要求不高時可不用積分，不用微分。溫度20-6