1、目錄課程設計任務書一、前饋一反饋復合控制系統1.1、 前饋一反饋復合控制系統的基本概念 31.2、 概念的理解 31.3、 前饋一反饋系統的組成 341.4、 前饋一反饋復合控制系統的特點 .41.5、 前饋一反饋復合控制系統中前饋前饋控制器的設計 4二、控制系統的硬件設計2.1、S7 300 系統組成 .42.2、CPU315 2DP 42.3、模式選擇開關 .452.4、 狀態及故障顯示 5 三、控制系統的軟件設計3.1、硬件組態5.3.2、 工程管理器的使用 .63.3、 新建工程6 93.4、 組態監控畫面 .93.5、 組態變量 9103.6、 軟件編程 .10153.7、 實驗結果

2、分析 .1517四、控制系統的調試五、實驗總結、前饋一反饋復合控制系統1.1、前饋一反饋復合控制系統的基本概念前饋一反饋復合控制系統：系統中既有針對主要擾動信號進行補償的前饋控 制，又存在對被調量采用反饋控制以克服其他的干擾信號，這樣的系統就是前饋反饋復合控制系統。1.2、概念的理解：（1）復合控制系統是指系統中存在兩種不同的控制方式，即前饋、反饋（2）前饋控制系統的作用是對主要的干擾信號進行補償，可以針對主要干 擾信號，設置相應的前饋控制器（3）引入反饋控制，是為了是系統能夠克服所有的干擾信號對被調量產生的影響，除了已知的干擾信號以外，系統中還存在其他的干擾信號，這些擾動信 號對系統的影響比

3、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 是無法測量，都通過反饋控制來克服。（4）系統中需要測量的信號既有被調量又有擾動信號。1.3、前饋一反饋系統的組成前饋一反饋復合控制系統主要由一下幾個環節構成（1）擾動信號測量變送器：對擾動信號測量并轉化統一的電信號（2）被調量測量變送器：對被調量測量并轉化統一的電信號（3）前饋控制器：對干擾信號完全補償（4）調節器：反饋控制調節器，對被調量進行調節（5）執行器和調節機構（6）擾動通道對象：擾動信號通過該通道對被調量產生影響（7）控制通道對象：調節量通過該通道對被調量進行調節前饋一反饋復合系統的原理方框圖如圖所示前饋一反饋復合控制系統的原理

4、圖（1）為了方便分析，通常將前饋一反饋復合系統的原理圖簡化為下圖1.4、前饋一反饋復合控制系統的特點（1）系統綜合了反饋、前饋控制系統的優點，彌補了他們的缺點，因而前 饋一反饋復合控制系統的到了廣泛的應用（2）引入前饋補償沒有影響到系統的穩定性：很顯然，前饋無論加在什么位置，都不會構成回路，系統的特征式都保持不 變，因而不會影響系統的穩定性。（3）引入反饋控制后，前饋完全補償條件并沒有改變。1.5、前饋一反饋復合控制系統中前饋前饋控制器的設計前饋一反饋復合控制系統中前饋前饋控制器的傳遞函數是有完全補償性原 理來求解的由圖2可求得吧+ S小叫ms.I +怖；"）陽*（時I +怦乂巧（町

5、要使擾動Z（s）得到完全補償，即Z（s）變化時不對C（s）產生影響應有:帶祖時*町_ ：I +二、控制系統的硬件設計2.1、S7300系統組成有中央處理器（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、CPU315 2DPCPU 315-2DP：具有中到大容量程序存儲器和 PROFIBUS DP主/接口，比較適用于大規模的I/O配置或建立分布式I/O系統。2.3、模式選擇開關（1）RUN-P：可編程運行模式。在此模式下，CPU不僅可以執行用戶程序，在 運行的同時，還可以通過編程設備（如裝有 STEP

6、7的PG、裝有STEP 7的計算 機等）讀出、修改、監控用戶程序。（2）RUN :運行模式。在此模式下，CPU執行用戶程序，還可以通過編程設備 讀出、監控用戶程序，但不能修改用戶程序。（3）STOP:停機模式。在此模式下，CPU不執行用戶程序，但可以通過編程 設備（如裝有STEP 7的PG、裝有STEP 7的計算機等）從CPU中讀出或修改用 戶程序。在此位置可以拔出鑰匙。（4）MRES :存儲器復位模式。該位置不能保持，當開關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，可復位存儲器， 使CPU回到初始狀態。2.4狀態及故障顯示SF （紅色）：系統出錯/故障

7、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）。當電池失效或未 裝入時，指示燈亮。DC5V （綠色）：+ 5V電源指示燈。CPU和S7-300總線的5V電源正常時亮。 FRCE （黃色）：強制作業有效指示燈。至少有一個I/O被強制狀態時亮。RUN （綠色）：運行狀態指示燈。CPU處于“ RUN”狀態時亮：LED在“Startup” 狀態以2Hz頻率閃爍；在“ HOLD ”狀態以0.5Hz頻率閃爍。STOP （黃色）：停止狀態指示燈。CPU處于“ STOP”或“ HOLD ”或“ Startup” 狀態時亮；在存儲器復位時LED以0.5Hz

8、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接口的CPU）。當DP接口故障 時亮。2.4、SM344模擬量輸出模塊主要輸出的4MA 20MA的電流信號轉換為5530-27648的數字信號。三、控制系統的軟件設計3.1、 硬件組態（1）建立應用工程的一般過程 通常情況下，建立一個應用工程大致可分為以下幾個步驟： 第一步：創建新工程為工程創建一個目錄用來存放與工程相關的文件。 第二步：定義硬件設備并添加工程變量添加工程中需要的硬件設備和工程中使用

9、的變量，包括內存變量和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控畫面并使靜 態畫面隨著過程控制對象產生動態效果。第四步：編寫命令語言通過腳本程序的編寫以完成較復雜的操作上位控制。 第五步：進行運行系統的配置對運行系統、報警、歷史數據記錄、網絡、用戶等 進行設置，是系統完成用于現場前的必備工作。第六步：保存工程并運行完成以上步驟后， 一個可以拿到現場運行的工程就制作 完成了。3.2、工程管理器的使用組態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 王工程，修改工程屬性，工程備份、

10、恢復，數據詞典的導入導出，切換到組態王 開發或運行環境等。3.3、新建工程打開組態王后單擊此快捷鍵，彈出新建工程對話框建立組態王工程， 點擊工程管 理器上的“新建”，彈出“新建工程向導之一”如圖點擊“下一步”彈出“新建工程向導之二”，畫面如圖6W區開發運暫囲口不圍測敘按案新建 刪除 廨性工程£祐 KvtE Ki ngdcn ol Kin曰棲詣魚骨15 路輕 - c：protrw c： propra.t c； pf昭饋 c： d.4cuner e . d4coifir車容下水軻液世.S73MlB用合井.H同諂興于西妥電孑專業學找n： d.4CUl浪弓雅示工融caan：B. 53演示工程

11、E4CH4S0 i&弓3濕云工促1Q典r?gE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7點擊“下一步”進入“新建工程向導之三”，如圖所示，在“工程名稱”處寫上要給工程起的名字。“工程描述”是對工程進詳細說明（注釋作用），我們的工程名稱是“流量液位前饋反饋控制系統”點擊“完成”會出現“是否將新建的工程設為組態王當前工程”的提示，如下圖 選擇“是”，生成下圖所示：組態王的當前工程的意義是指直接進開發或運行 所指定的工程。83.4、組態監控畫面1）測試要求的組態流程圖界面（要求復顯），如圖所示ttajuoKLTiox AiiBJrnor Aoncirswl

12、Hirff.alt 躍" <Sft4C-E>0frt. 3d為HDIf蜀血SPMO- WP=45藥廣豪曹"就0iq=i 4B, d匍Ei吃rae. p Oitj-innoiDD比軸訶調科猜F電J&.耙宴H檢iMuw愛渤弭刈ii由H趕*曲鐵ff.f#Mli&>Mii&>亙接給I-干FVlOl3.5、組態變量9IStf) «i£j 畳膏 1?口 工JliuL3 3W 冠五< LJ司怖 Q twtw 爭S IR4ft giw*Q bw. bLl 番IM淹 電時i>0H£詒rnj國附!RaKl

13、#Bntuic 余 VliUI冷用士”衛 自 fflUIB ff APKi ¥FT4£ -O：H¥9Ki主 IWlIfl 口記曇IS -) T*H StTH H址事詢！ g如砒U0 St*?rflSil*9ttEL-±UE-i-i詢沿沖1£殆丁日3殆!m45?T箱阿問Fwna*«悔tfflgrtTTTH1!'VIDRWiBIIATRiBl£rrSiaitrSiffE內羽寸13殆僚事RM®1*西軋E備比廿P.TTSS15It殆JF哲出右TianHl Jiijnwr說嗣i13t®CIL ?iNU.la

14、JiMrfci血1T3UUL 1i£iFIWJ>負岀i13Wkti.1旳cnvuTXtIL :尙鬥DC-I.11UEll i0P7HJIfeT 即*hT3«Hl龍禺 ngjaFT-HSCIMx13WiriL.C3.6、軟件編程1) STEP_5.5 的使用STEP7軟件后單機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11O SIIATIC IaiiagE?r - 岳墨叛位fit議反議 - C: PrograM FilesSie»EnstStep7s7prc鄉文件0 漏輯 &A(

15、I) FIC 觀閨® 選項電J廚口迪 稱助叫D話計嗣旨塔丨圭牡；*注離 I鈕郵復制CtrlC粘貼Ctrl*VSIIIATIC 400 站點SINATIC 300 站點SINATIC K 站點SIHATIC FC 站點 耳它站SINATIC S5FG/FCSIHATIC 200 St 髦ti 阿MFIFR0FIBU5Indhis tr 1 -al EtKernetFTFST趕序MT程序打開SIMTTC 300(1)進行硬件編程如圖所示2)模塊量程轉換模塊FC201 將 5530- 27648 轉化成 0100%如 圖1.WSTL/FSD - lOBiS "CIT. lilfi

16、" x73nfl£ EIAT FC JnnUJXCPD 3L5-?FS/DP- - 0RJ5J2 立忡（LI fttfttU t<HI 旺 JTfit0 ffiEiDSPifJ flWiqjl金潛R 凹苗吐F薊口幻iirnE ih #o B U - 斛PS 砲 直SI 嵌at ws71 一 n-ll詈一二.IzlK-kJ一L.-:£dl6期 as*rfjsiMErW5J 附蚱 Ktt/LlF- «IE £W3 眾St FB WFU耳 洌槻 EK塊 餐盲量內毎* '睛喪入豪口注位rBKFQ界序鶴1: Mi=PTIS5B- a&

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18、SfC快 SrfS 庫TO302FHwDB1.DBD72 -1£1OUTl,OOTWc+002 -IRJIAXm ooocmt豐000-zrhik礙匆amix271S40 -ouTm-PQW25613#前饋反饋的算法如圖所示LW/S1L/FHE QtU JbCfC IfTb'口盤岸 0dQi也k咁岸軍 射劄 Mn： tsfl理 tni常的田 D *金日鼻2越T1=-£t fliflf 比擰 二| 11連* jJ I坤 *旦砂的 *計靈 1科ffl 杯+皿革占氏出射* Mi起吐血 曲阪肛 AI甑暮 "務0 JJ” 桂 卜» N坪Fl¥t爭

19、如4 督 Tiff(rw"t=ipr-Z宴一尸田曲» jJ 5ft ftI M<o ciximwI WL hlil-fanw-F¥_H、口mnaan卜mKI Hm.4山»1 IK1 止虬略亞枸 旦 SL" I * Lie *rrmfcB k-#1、FB41功能描述使用SFB 41/FB 41 "CONT_C"進行連續控制引言SFB/FB "CONT_C"（連續控制器）在SIMATIC S7可編程邏輯控制器上使用， 通過持續的輸入和輸出變量來控制工藝過程。在參數分配期間，可以通過激活或取消激活PID控

20、制器的子功能使控制器適應過程的需要。使用參數分配工具可 以輕松完成分配(菜單路徑：開始 Simatic Step7 分配PID控制參數)。開始 Simatic Step7 分配PID控制(英文)中提供了在線電子手冊。應用可以使用該控制器作為PID固定設定值控制器或在多循環控制中作為層疊、 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生器階段進行擴展，為使用成比例執行機構的兩個或三個步驟控制器生成脈沖持續時間調制輸出信號。注意只有在以固定時間間隔調用塊時， 在控制塊中計算的值才是正確的。為 此，應該在周期性中斷 OB (OB30至OB38

21、)中調用控制塊。在CYCLE參數中輸 入采樣時間。描述除了設定值和過程值分支中的功能，SFB/FB還通過持續操作變量輸出和手 動影響操作值的選項實現了完整的 PID控制器。下文提供了對這些子功能的詳細說明：設定值分支以浮點格式在SP_INT輸入鍵入設定值。過程變量分支可以外設(I/O)或以浮點格式輸入過程變量。CRP_IN功能根據以下公式將PV_PER外設值轉換為介于-100和+100 %間的浮點格式值：Output of CPR_IN=PV-PER* 100/27648PV_NORM功能根據以下公式統一 CRPN輸出的格式：PV_NORM 的輸出=(CPR_IN 的輸出)* PV_FAC +

22、 PV_OFFPV_FAC的默認值為1，PV_OFF的默認值為0。出錯信號設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致的 小幅恒定振蕩(例如，在使用PULSEGEN進行脈寬調制時)，將死區應用于出錯 信號(DEADBAND)。如果DEADB_W = 0，將關閉死區。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控制器進行組態成為 可能。還可以對純I和D控制器進行組態。手動值可以在手動和自動模式間進行切換。在手動模式下，使用手動選擇的值更正 操作變量。積分器(INT)內部

23、設置為LMN - LMN_P - DISV，微分單元(DIF)設置 為0并在內部進行匹配。這意味著切換到自動模式不會導致操作值發生任何突 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功能根據以下公式統一 LMNLIMIT 輸出的格式：LMN = (LMNLIMIT 的輸出)* LMN_FAC + LMN_OFFLMN_FAC的默認值為1，LMN_OFF的默認值為0。也可以得到外設格式的操作值。CPR_OUT功能根據以下公式將浮點值 LMN轉 換為外設值：LMN_PER=LMN*27648/100前饋控制可以在DISV輸

24、入前饋干擾變量。初始化SFB 41 "CONT_C"有一個在輸入參數 COM_RST = TRUE時自動運行的初始 化程序。在初始化過程中，將把積分器內部設置為初始化值l_ITVAL。以周期性中斷優先 級調用它時，它會從此值開始繼續工作。將所有其它輸出設置為它們各自的默認值。故障信息不使用出錯輸出參數RET_VAL。15CONT_C方框圖LJl-J HIMu.iFlujLMH 電 GUJH OFF3.7、實驗結果分析當給定值為30時實驗結果如圖所示16當給出一個階躍信號時輸出如圖所示當給出一個正擾動時輸出如圖所示六、控制系統的調試1） PID參數的調節1臨界比例度法這是目前

25、使用較廣的一種方法，具體作法如下：先在純比例作用下（把積分時間放到最大，微分時間放到零），在閉合的調節系統中，從大到小地逐漸地改變調節器的比例度，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 S k，周期為臨界振蕩周期Tk。記下S k和Tk，然后按表1的經驗公式來確定調節器的各參數值。圖2臨界振蕩示意圖表1臨界比例度法數據表調節作用比例度S （%）積分時間Ti （分）微分時間Td （分）比例k比例積分2.2 S k0.85Tk比例微分：1.8S k0.1Tk比例積分微分1.7S k0.5Tk0.125Tk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

26、節閥很容易處于全開及全關位置， 對于 工藝生產不利，舉例來說，對于一個用燃料油（或瓦斯）加熱的爐子，如S很小， 接近雙位調節，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格時，因為這時候如達到等幅振蕩，將影響生產的 安全運行。2衰減曲線法臨界比例度法是要系統等幅振蕩，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衰減曲線法使系統處于純比例作用下，在達到穩定時，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4: 1的衰減比為止，如圖3所示。記下此時的比例度S s。再按表2的經驗公式來確定PID 數值。表24: 1

27、衰減曲線法數據表調節作用比例度S （%）積分時間Ti （分）微分時間Td （分）比例S s比例積分M.2 S s0.5Ts比例積分微分0.8 S s0.3Ts0.1Ts（2）、10: 1衰減曲線法有的過程，4: 1衰減仍嫌振蕩過強，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 / s和上升時間Tz s，再按表3的經 驗公式來確定PID的數值。衰減曲線如圖4所示。表310: 1衰減曲線法數據表調節作用比例度S （%）積分時間Ti （分）微分時間Td （分）比例S / s比例積分；1.2S / s2TZS比例積分微分0.8 S / s1 . 2Tzs0 .4Tzs3經驗試湊法這是在生產實踐中所總結出來的方法，目前應用最為廣泛，其步驟簡述如下：（e）1）、根據不同調節系統的特點，先把 P、圖5用衰減曲線法現場整定I、D各參數放在基本合適的數值上，這些數值是由大量實踐經驗總結得來的（按 4： 1衰減），其范圍大致如表4所示。但也有 特殊情