前馈反馈复合控制系统.docx

1、前馈反馈复合控制系统课程设计任务书一、 前馈反馈复合控制系统1.1、前馈反馈复合控制系统的基本概念.31.2、概念的理解31.3、前馈反馈系统的组成.341.4、前馈反馈复合控制系统的特点.41.5、前馈反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计42、控制系统的硬件设计2.1、 S7300系统组成.42.2、 CPU3152DP42.3、 模式选择开关.452.4、状态及故障显示.5三、控制系统的软件设计3.1、 硬件组态.53.2、工程管理器的使用.63.3、新建工程.693.4、组态监控画面.93.5、组态变量9103.6、软件编程.10153.7、实验结果分析.1517四、 控制系统的调试五

2、、 实验总结1、前馈反馈复合控制系统1.1、前馈反馈复合控制系统的基本概念 前馈反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在对被调量采用反馈控制以克服其他的干扰信号，这样的系统就是前馈反馈复合控制系统。1.2、概念的理解：（1）复合控制系统是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈、反馈（2）前馈控制系统的作用是对主要的干扰信号进行补偿，可以针对主要干扰信号，设置相应的前馈控制器（3）引入反馈控制，是为了是系统能够克服所有的干扰信号对被调量产生的影响，除了已知的干扰信号以外，系统中还存在其他的干扰信号，这些扰动信号对系统的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们肯本

3、就考虑不到或是无法测量，都通过反馈控制来克服。（4）系统中需要测量的信号既有被调量又有扰动信号。1.3、前馈反馈系统的组成前馈反馈复合控制系统主要由一下几个环节构成（1）扰动信号测量变送器：对扰动信号测量并转化统一的电信号（2）被调量测量变送器：对被调量测量并转化统一的电信号（3）前馈控制器：对干扰信号完全补偿（4）调节器：反馈控制调节器，对被调量进行调节（5）执行器和调节机构（6）扰动通道对象：扰动信号通过该通道对被调量产生影响（7）控制通道对象：调节量通过该通道对被调量进行调节前馈反馈复合系统的原理方框图如图所示 前馈反馈复合控制系统的原理图（1）为了方便分析，通常将前馈反馈复合系统的原理

4、图简化为下图 前馈控制系统的简化原理图（2）1.4、前馈反馈复合控制系统的特点（1）系统综合了反馈、前馈控制系统的优点，弥补了他们的缺点，因而前馈反馈复合控制系统的到了广泛的应用（2）引入前馈补偿没有影响到系统的稳定性：很显然，前馈无论加在什么位置，都不会构成回路，系统的特征式都保持不变，因而不会影响系统的稳定性。（3）引入反馈控制后，前馈完全补偿条件并没有改变。1.5、前馈反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计前馈反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的传递函数是有完全补偿性原理来求解的由图2可求得要使扰动Z(s)得到完全补偿，即Z(s)变化时不对C(s)产生影响应有：二、 控制系统的硬件设计2.

5、1、 S7300系统组成有中央处理器（CPU）、电源单元（PS）、信号模块（SM）、接口模块（IM）、功能模块（FM）、通讯模块（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储器和PROFIBUS DP主/接口，比较适用于大规模的I/O配置或建立分布式I/O系统。2.3、 模式选择开关（1）RUN-P：可编程运行模式。在此模式下，CPU不仅可以执行用户程序，在运行的同时，还可以通过编程设备（如装有STEP 7的PG、装有STEP 7的计算机等）读出、修改、监控用户程序。（2）RUN：运行模式。在此模式下，CPU执行用户程序，还

6、可以通过编程设备读出、监控用户程序，但不能修改用户程序。（3）STOP：停机模式。在此模式下，CPU不执行用户程序，但可以通过编程设备（如装有STEP 7的PG、装有STEP 7的计算机等）从CPU中读出或修改用户程序。在此位置可以拔出钥匙。（4） MRES：存储器复位模式。该位置不能保持，当开关在此位置释放时将自动返回到STOP位置。将钥匙从STOP模式切换到MRES模式时，可复位存储器，使CPU回到初始状态。2.4状态及故障显示SF（红色）：系统出错/故障指示灯。CPU硬件或软件错误时亮。BATF（红色）：电池故障指示灯（只有CPU313和314配备）。当电池失效或未装入时，指示灯亮。DC

7、5V（绿色）：5V电源指示灯。CPU和S7-300总线的5V电源正常时亮。FRCE（黄色）：强制作业有效指示灯。至少有一个I/O被强制状态时亮。RUN（绿色）：运行状态指示灯。CPU处于“RUN”状态时亮：LED在“Startup”状态以2Hz频率闪烁；在“HOLD”状态以0.5Hz频率闪烁。STOP（黄色）：停止状态指示灯。CPU处于“STOP”或“HOLD”或“Startup”状态时亮；在存储器复位时LED以0.5Hz频率闪烁；在存储器置位时LED以2Hz频率闪烁。BUS DF（BF）（红色）：总线出错指示灯（只适用于带有DP接口的CPU）。出错时亮。 SF DP：DP接口错误指示灯（只适

8、用于带有DP接口的CPU）。当DP接口故障时亮。2.4、 SM344模拟量输出模块主要输出的4MA20MA的电流信号转换为553027648的数字信号。3、控制系统的软件设计 3.1、 硬件组态（1）建立应用工程的一般过程通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤： 第一步：创建新工程为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。 第二步：定义硬件设备并添加工程变量添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和 I/O 变量。 第三步：制作图形画面并定义动画连接按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。 第四步：编写命令语言通过脚本程序的编写以完

9、成较复杂的操作上位控制。 第五步：进行运行系统的配置对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等进行设置，是系统完成用于现场前的必备工作。 第六步：保存工程并运行完成以上步骤后，一个可以拿到现场运行的工程就制作完成了。3.2、工程管理器的使用组态王工程管理器是用来建立新工程， 对添加到工程管理器的工程做统一的管理。 工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索组态王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。3.3、新建工程打开组态王后单击此快捷键，弹出新建工程对话框建立组态王工程，点击工程管理器上的“新建”，弹出“新建工程向导之一”如

10、图点击“下一步”弹出“新建工程向导之二” ，画面如图点击“浏览” ，选择新建工程所要存放的路径如图点击“打开” ，选择路径完成，如图点击“下一步”进入“新建工程向导之三” ，如图所示，在“工程名称”处写上要给工程起的名字。“工程描述”是对工程进详细说明（注释作用） ，我们的工程名称是“流量液位前馈反馈控制系统”点击“完成”会出现“是否将新建的工程设为组态王当前工程”的提示，如下图选择“是” ，生成下图所示：组态王的当前工程的意义是指直接进开发或运行所指定的工程。3.4、 组态监控画面1）测试要求的组态流程图界面（要求复显） ，如图所示3.5、组态变量3.6、软件编程1） STEP_5.5的使用

11、STEP7软件后单机文件新建项目名称为流量液位前馈反馈如图所示点击确定后右键流量液位前馈反馈后插入新对象SIMTTC 300站点如图所示打开SIMTTC 300(1)进行硬件编程如图所示2） 模块量程转换模块FC201将553027648转化成0100%如图FC202将0100%转化成553027648如图前馈反馈的算法如图所示1、FB41功能描述使用SFB 41/FB 41 CONT_C进行连续控制引言SFB/FB CONT_C (连续控制器)在SIMATIC S7可编程逻辑控制器上使用，通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。在参数分配期间，可以通过激活或取消激活PID控制器的子功能使控制

12、器适应过程的需要。使用参数分配工具可以轻松完成分配(菜单路径：开始 Simatic Step7 分配PID控制参数)。开始 Simatic Step7 分配PID控制(英文)中提供了在线电子手册。应用可以使用该控制器作为PID固定设定值控制器或在多循环控制中作为层叠、混料或比率控制器。该控制器的功能基于使用模拟信号的采样控制器的PID控制算法，必要时可以通过加入脉冲发生器阶段进行扩展，为使用成比例执行机构的两个或三个步骤控制器生成脉冲持续时间调制输出信号。注意只有在以固定时间间隔调用块时，在控制块中计算的值才是正确的。为此，应该在周期性中断OB (OB30至OB38)中调用控制块。在CYCLE

13、参数中输入采样时间。描述除了设定值和过程值分支中的功能，SFB/FB还通过持续操作变量输出和手动影响操作值的选项实现了完整的PID控制器。 下文提供了对这些子功能的详细说明：设定值分支以浮点格式在SP_INT输入键入设定值。过程变量分支可以外设(I/O)或以浮点格式输入过程变量。CRP_IN功能根据以下公式将PV_PER外设值转换为介于 -100和 +100 %间的浮点格式值：Output of CPR_IN=PV-PER* 100/27648PV_NORM功能根据以下公式统一CRP_IN输出的格式：PV_NORM的输出 = (CPR_IN的输出) * PV_FAC + PV_OFFPV_FA

14、C的默认值为1，PV_OFF的默认值为0。出错信号设定值和过程变量间的差异就是出错信号。为消除由于操作变量量化导致的小幅恒定振荡(例如，在使用PULSEGEN进行脉宽调制时)，将死区应用于出错信号(DEADBAND)。如果DEADB_W = 0，将关闭死区。PID算法PID算法用于定位计算。比例、积分(INT)和微分(DIF)操作以并联方式连接，因而可以分别激活或取消激活。这使对P、PI、PD和PID控制器进行组态成为可能。还可以对纯I和D控制器进行组态。手动值可以在手动和自动模式间进行切换。在手动模式下，使用手动选择的值更正操作变量。积分器(INT)内部设置为LMN - LMN_P - DI

15、SV，微分单元(DIF)设置为0并在内部进行匹配。这意味着切换到自动模式不会导致操作值发生任何突变。操作值使用LMNLIMIT功能可以将操作值限制为所选择的值。输入变量超过限制时，信号位会给予指示。LMN_NORM功能根据以下公式统一LMNLIMIT输出的格式：LMN = (LMNLIMIT的输出) * LMN_FAC + LMN_OFFLMN_FAC的默认值为1，LMN_OFF的默认值为0。也可以得到外设格式的操作值。CPR_OUT功能根据以下公式将浮点值LMN转换为外设值：LMN_PER=LMN*27648/100前馈控制可以在DISV输入前馈干扰变量。初始化SFB 41 CONT_C有一

16、个在输入参数COM_RST = TRUE时自动运行的初始化程序。在初始化过程中，将把积分器内部设置为初始化值I_ITVAL。以周期性中断优先级调用它时，它会从此值开始继续工作。将所有其它输出设置为它们各自的默认值。故障信息不使用出错输出参数RET_VAL。3.7、实验结果分析当给定值为30时实验结果如图所示当给出一个阶跃信号时输出如图所示当给出一个正扰动时输出如图所示六、 控制系统的调试1）PID参数的调节1 临界比例度法这是目前使用较广的一种方法，具体作法如下：先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡

17、过程，如图2所示。这时的比例度叫临界比例度k，周期为临界振荡周期Tk。记下k和Tk，然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。图2 临界振荡示意图表1 临界比例度法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例2k比例积分2.2k0.85Tk比例微分1.8k0.1Tk比例积分微分1.7k0.5Tk0.125Tk这种方法在下面两种情况下不宜采用：1）、临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置，对于工艺生产不利，举例来说，对于一个用燃料油（或瓦斯）加热的炉子，如很小，接近双位调节，将一会儿熄火，一会儿烟囱浓烟直冲。2）、工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到

18、等幅振荡，将影响生产的安全运行。2 衰减曲线法临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。（1）、4：1衰减曲线法使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止，如图3所示。记下此时的比例度s。再按表2的经验公式来确定PID数值。图3 4：1衰减调节过程曲线表2 4：1衰减曲线法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例s比例积分1.2s0.5Ts比例积分微分0.8s0.3Ts0.1Ts（2）、10：1衰减曲线法有的过程，4：1衰减仍

19、嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度s和上升时间Ts，再按表3的经验公式来确定PID的数值。衰减曲线如图4所示。图4 10：1衰减曲线示意图表3 10：1衰减曲线法数据表调节作用比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）比例s比例积分1.2s比例积分微分0.8s.3 经验试凑法这是在生产实践中所总结出来的方法，目 前应用最为广泛，其步骤简述如下： （e）1）、根据不同调节系统的特点，先把P、 图5 用衰减曲线法现场整定 I、D各参数放在基本合适的数值上，这些数值是由大量实践经验总结得来的（按4：1衰减），其范围大致如表4所示。但也有特殊情

20、况超出表列的范围，例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上，有的流量系统的比例度可到200%左右等等。表4 各调节系统PID参数经验数据表调节系统比例度（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）说明流量40-1000.1-1对象时间常数小，并有杂散扰动，应大，Ti较短，不必用微分。压力30-700.4-3对象滞后一般不大，略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-5小，Ti较大，要求不高时可不用积分，不用微分。温度20-603-100.5-3对象容量滞后较大。小，Ti大，加微分作用。 五、实验总结 历次本次实验我学会了对西门子PLC它的产生、定义及分类、功能及特点、结构及工作过程等有了初

21、步的了解。对于一个S7300的组成有哪些，和它的各个模块的作用是什么都有所掌握，对于CUP315的模拟选择开关。如：RUN-P、RUN、STOP、MRES的应用。还有对于CPU的故障状态显示的颜色都表示什么故障也有所掌握。例如：SF（红色）：系统出错/故障指示灯。CPU硬件或软件错误时亮。BATF（红色）：电池故障指示灯（只有CPU313和314配备）。当电池失效或未装入时，指示灯亮。DC5V（绿色）：5V电源指示灯。CPU和S7-300总线的5V电源正常时亮。FRCE（黄色）：强制作业有效指示灯。至少有一个I/O被强制状态时亮等。而且对前馈反馈通路的组成、功能及作用等有了初步的认识。对组态王的应用从怎么去新建一个任务到画出模拟图，在到硬件组态有了初步的学习。还对STEP7软件的应用及编程得到进一步的掌握，在软件编程中，我知道了FC201、FC202的作用及FB41的作用等。还学习PID的几种调节方法，在什么时候适合用临界比例度法，在什么时候用衰减曲线法，在什么时候用经验试凑法都有所了解。但在学习过程中也难免遇到了一些不懂得问题及知识点，例如各个变量是指的什么，怎么样调节更为准确等。但在老师的帮助下，问题也随之解决，在这里也是很感谢老师的。虽然是短短的两周多的时间里我真的学到很多我以前不知道的知识，我相信这次实训也给我带来了很大的财富。