前馈过程控制系统课程设计
液位前馈控制课程设计报告
摘要液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。
对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。
而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。
目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。
具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。
目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。
本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。
而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。
一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。
对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。
引入前馈控制可以获得显著的控制效果。
前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。
如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。
关键词：液位控制前馈控制单容水箱PLC目录1概述单容水箱在工业控制中应用非常广泛。
单容水箱的液位控制，就是控制进水量，使其与出水量将配合，保持液位在工艺要求的范围内。
在单容水箱的基础上，加上旁路干扰支路，模拟进水量的扰动，从而导致液位出现超调，被控量在相应时间上落后，由于单回路控制在时间上滞后较大，所以扰动出现后的调节时间较长。
前馈控制是按照扰动的大小和方向，产生相应的补偿作用，削弱扰动对被控过程的影响，从而减小超调，甚至没有超调。
冷凝器温度前馈反馈控制系统设计与仿真
辽宁工业大学开放性实验报告题冷凝器温度前馈- 反馈控制系统设计与仿院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2015.11.19 —2015.11.22辽宁工业大学实验室开放项目任务书2015/2016 学年第一学期注：此表用于申请教学计划外的开放项目，请如实填写，由各院（系）汇总后统办理，报实践教学科一份。
目录第1 章绪论 (1)第2章控制方案介绍 (3)2.1概述 (3)2.2控制原理 (3)2.3实验内容 (4)第3 章系统设计与仿真 (5)3.1 处理延迟环节 (5)3.2 反馈控制系统设计 (6)3.3前馈控制系统设计 (8)第4 章课程设计总结 (11)第1章绪论冷凝器(Condenser) 空调系统的机件，能将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气，大部分的汽车置于水箱前方。
把气体或蒸气转变成液体的装置。
发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。
石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。
在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。
所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。
对某些应用来说，气体必须通过一根长长的管子(通常盘成螺线管)，以便让热量散失到四周的空气中，铜之类的导热金属常用于输送蒸气。
为提高冷凝器的效率经常在管道上附加散热片以加速散热。
散热片是用良导热金属制成的平板。
这类冷凝器一般还要用风机迫使空气经过散热片并把热带走。
一般制冷机的制冷原理压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。
压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。
液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质( 水或空气) 放热，冷凝为高压液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。
过程控制课程设计
过程控制 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解过程控制的基本概念，掌握其原理和分类。
2. 使学生掌握过程控制系统中常用的数学模型及其应用。
3. 引导学生了解过程控制系统的设计方法和步骤。
技能目标：1. 培养学生运用数学模型分析和解决过程控制问题的能力。
2. 培养学生设计简单过程控制系统的能力，能根据实际需求选择合适的控制策略。
3. 提高学生运用现代工具（如计算机软件）进行过程控制系统仿真的技能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制学科的兴趣和热情，激发他们探索未知、勇于创新的科学精神。
2. 培养学生具备良好的团队合作意识，学会与他人共同分析问题、解决问题。
3. 引导学生认识到过程控制在工业生产、环境保护等领域的重要作用，增强他们的社会责任感和使命感。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程目标旨在让学生掌握过程控制的基本知识和技能，培养他们解决实际问题的能力。
通过课程学习，学生将能够：1. 理论联系实际，运用所学知识分析、解决过程控制问题。
2. 掌握过程控制系统的设计方法和步骤，具备一定的控制系统设计能力。
3. 提高自身的科学素养，培养良好的团队合作精神和创新意识。
4. 关注过程控制在社会生产中的应用，为我国工业发展和环境保护做出贡献。
二、教学内容1. 过程控制基本概念：包括过程控制定义、分类、发展历程及其在工业中的应用。
教材章节：第一章 绪论2. 过程控制系统数学模型：介绍控制系统的传递函数、状态空间表达式、方块图及其相互转换。
教材章节：第二章 数学模型3. 过程控制策略：讲解比例、积分、微分控制规律，以及串级、比值、前馈等复合控制策略。
教材章节：第三章 控制策略4. 过程控制系统设计方法：阐述控制系统的设计原则、步骤和方法，包括稳定性分析、性能指标和控制器设计。
教材章节：第四章 系统设计与分析5. 过程控制系统仿真：介绍过程控制系统仿真软件及其应用，通过实例演示仿真过程。
教材章节：第五章 系统仿真与实现6. 过程控制案例分析：分析典型过程控制系统的实际问题，探讨解决方案。
前馈控制系统设计与实验报告
目录一、概述 (2)二、课程设计任务及要求 (2)2.1、控制流程分析 (2)2.1.1目的 (2)2.1.2要求 (2)2.1.3说明 (3)2.1.4流程设计分析 (3)2.2、控制参数估算 (4)2.3、具体前馈控制方案设计 (5)2.4过程仪表选型 (10)2.4.1XMAF5000福光百特智能仪表 (10)2.4.2 电磁流量计········错误!未定义书签。
2.4.3压力液位传感器······错误!未定义书签。
2.5、进行系统仿真 (12)2.6、数据整理、绘图、制表 (18)2.7、总结 (21)一、概述前馈控制系统是一种依据“系统不变性”原理，按照“扰动进行调节”的开环控制系统。
既然是开环，该扰动量必须是可测而不可控的。
所以，该控制系统的作用不能抑制扰动量，只能采用特定的方法补偿扰动对被控参数造成的影响。
显然，根据扰动提前进行补偿的思想是先进的，应该说比被调参数受到扰动、造成偏差后才进行调节要更及时、有效；特别是当控制通道时间常数较大，滞后较大时。
如果补偿设计得当，可以产生很好的效果，但现场不是所有的干扰都可测，并且都可以设计出合适的补偿环节。
前馈控制器是需要用户根据要求进行设计的控制器。
二、课程设计任务及要求2.1、控制流程分析2.1.1目的构建前馈-反馈控制系统，并进行操作和运行该系统，深入理解前馈-反馈控制控制系统的结构与工作原理；了解、掌握前馈-反馈控制系统的投运及整定过程及步骤。
2.1.2要求当外部干扰发生时，通过对可测干扰的补偿，更快地克服干扰的影响，更好地保证被控参数稳定。
控制质量应好于单回路的情况。
2.1.3说明（1）前馈-反馈系统是前馈+反馈控制系统的组合。
（2）本实验中的反馈系统部分为液位单回路控制系统；前馈部分为根据扰动流量设计的补偿环节。
前馈过程控制系统课程设计.
过程控制课程设计任务书设计目的根据设定的液位对象和其他配置,运用计算机和INTOUCH组态软件,设计监控系统,并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持恒定或保持在一定误差范围内。
2 控制要求在工业过程控制中,实现前馈-反馈单回路控制。
前馈控制的基本概念使测取进入过程的干扰(包括外界干扰和设定值变化,并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量,使控制变量维持在设定值上。
前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性,按被控对象既定控制规律;反馈控制的控制规律采用PID规律。
将前馈与反馈有效地结合,运用前馈控制在扰动发生后,抑制由主要扰动引起的被控量所产生的偏差;同时运用反馈控制,消除多种扰动对被控量的影响。
3 系统结构设计3.1 控制方案本设计通过前馈反馈控制系统实现对液位的控制。
在前馈反馈控制系统中,前馈控制属于开环控制,在设计中经过对主流量的检测,及时的针对主要扰动进行液位的偏差抑制。
当流量测量值较预定值发生波动,即时通过计算机进行PID计算,输出控制信号,进行液位调节;反馈控制属于闭环控制,通过对液位的测量,及时对液位进行调控。
反馈环节通过对液位的监测,将测量值与给定值进行比较,形成偏差后,通过A/D传输给计算机,进行预先设定的PID计算,输出控制型号,进行液位调节。
前馈反馈控制原理框图如下:图3.1 前馈反馈系统框3.2 仪表选择图3.2.1 流量传感器流量传感器采用V锥体流量计。
V锥体在流场中产生的节流效应,通过检测上下游压差来测量流量。
与普通节流件相比,它改变了节流布局,从中心孔节流改为环状节流。
实践证明,V锥形流量计与其它流量仪表相比,有长期精度高、稳定性好、受安装条件局限小、耐磨损、测量范围宽、压损小、适合脏污介质等优点。
3.2.2 过程模块采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。
牛顿7000系列模块体积小,安装方便,可靠性高。
D/A模块采用牛顿7024,四通道模拟输入模块。
串联前馈校正课程设计
串联前馈校正课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握串联前馈校正的基本概念与原理。
2. 学生能够运用数学公式和电路图表达串联前馈校正的过程。
3. 学生能够解释串联前馈校正对系统性能的影响及其在实际应用中的重要性。
技能目标：1. 学生能够设计简单的串联前馈校正电路，并分析其校正效果。
2. 学生通过实际操作和模拟软件，培养解决实际工程问题的能力。
3. 学生能够利用所学知识，对现有系统进行性能优化分析与建议。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对自动控制学科的兴趣，激发学习热情和探究精神。
2. 学生通过小组合作，培养团队协作精神和沟通能力。
3. 学生通过学习，认识到科学技术在国家发展和社会进步中的重要作用，增强社会责任感和使命感。
课程性质分析：本课程属于自动控制原理部分，以理论与实践相结合的方式进行教学，旨在帮助学生建立完整的自动控制知识体系。
学生特点分析：考虑到学生年级特点，已经具备一定的电路基础和控制理论基础，但需进一步通过实践加深对理论知识的理解。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，强调学生的参与和动手能力，通过具体实例和实际操作，使学生能够真正理解和掌握串联前馈校正的相关知识。
在教学过程中，注重培养学生的创新能力和实际操作技能，为后续课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 串联前馈校正的基本原理及其数学描述。
- 课本章节：第三章第三节- 内容：前馈控制的概念、串联前馈校正的原理、数学模型的建立。
2. 串联前馈校正电路的设计与分析。
- 课本章节：第三章第四节- 内容：串联前馈校正电路的设计方法、性能分析、参数调整。
3. 串联前馈校正在实际系统中的应用案例分析。
- 课本章节：第三章第五节- 内容：典型应用案例、系统性能优化、实际操作演示。
4. 实验教学与软件模拟。
- 课本章节：实验教程第四章- 内容：实验原理、实验步骤、软件模拟操作、实验结果分析。
教学大纲安排：第一周：学习串联前馈校正的基本原理及其数学描述。
过程控制系统课程设计题目
(一)采用 MATLAB 仿真；所有仿真，都需要做出以下结果：( 1 ) 超调量( 2 ) 峰值时间( 3 ) 过渡过程时间(4) 余差( 5 ) 第一个波峰值( 6 ) 第二个波峰值( 7 ) 衰减比( 8 ) 衰减率( 9 ) 振荡频率( 10 ) 全部 P 、I 、 D 的参数( 11 ) PID 的模型(二)每人一个题目，自己完成课程设计报告，报告的格式如图论文格式一． 液氨的水温控制系统设计液氨蒸发器主、副对象的传递函数分别为：G (s) = 1 ，G (s) = 1 e 一0.1s 01 (20s +1)(30s +1) 02 0.2s +1主、副扰动通道的传递函数分别为：G (s) = 1 ，G (s) = 1 f 1 0.2s +1 f 2试分别采用单回路控制和串级控制设计温度控制系统，具体要求如下：( 1 ) 分别进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图；( 2 ) 进行仿真实验，分别给出系统的跟踪性能和抗干扰性能(包括一次扰动和二次扰动)；( 3 ) 说明不同控制方案对系统的影响。
二．炉温控制系统设计设计任务：某加热炉的数学模型为G(s) = e一150s ，试设计大时延控制系统，具体要求如下：( 1 ) 仿真分析以下控制方案对系统性能的影响： PID 、微分先行、中间微分、Smith 预估、增益自适应预估；给出相应的闭环控制系统原理图；( 2 ) 在不同控制方式下进行仿真实验，比较系统的跟踪性能和抗干扰性能；选择一种较为理想的控制方案进行设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定。
三．锅炉夹套与被加热介质的温度控制1.设计任务(可 2 人选此题)了解、熟悉锅炉夹套与内胆温度控制系统的工艺流程和生产过程的静态、动态特性，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，结合所学知识实现温度的控制。
2.设计要求( 1 ) 从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一定的了解和认识。
前馈控制系统设计
目录一、前馈控制系统设计1、前馈控制系统选择原则1.1 扰动量可测不可控原则 (2)1.2 控制系统精确辨识原则 (2)1.3被控系统自衡原则 (3)1.4 优先性原则 (3)1.5 经济性原则 (4)2、工程整定2.1 整定的总体原则2.1.1 稳定性 (4)2.1.2快速性 (5)2.1.3 反馈控制的静差 (5)3、前馈-反馈复合系统工程整定 (5)二、实例仿真 (6)2.1前馈控制系统整定 (7)2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析 (7)2.3、反馈控制系统整定 (8)2.4、系统仿真 (9)三、心得体会 (11)四、参考文献 (12)二、实例仿真系统按结构分类，可分为：静态前馈控制、动态前馈控制、前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。
其中，前馈-反馈复合控制系统的特点是利用前馈抑制对系统影响较大的干扰，利用反馈控制抑制其他干扰以及前馈所“遗留”部分干扰。
前馈调节器和反馈调节器的整定方法如前所述。
一般为了实现系统无静差，反馈调节器多选PI控制方式。
前馈反馈复合控制系统仿真主要包括：系统识别、控制系统整定和系统仿真等内容。
其中控制系统整定包括前馈控制系统整定和反馈控制系统整定两部分。
本例采用前馈、反馈分别整定的方法。
假设被控对象传递函数中各部分传递函数如下：e-10s干扰通道传递函数为：G f(s)G2(s)=15(81)(10s1)s++e-8s系统被控部分传递函数为：G1(s)G2(s)=6s++(51)(10s1)给定部分传递函数为：Gc(s)=12.1前馈控制系统整定。
由于采用前馈反馈分别整定方法，所以，前馈整定参数为：K d=-2.5, T dl=8。
若系统采用PID控制，则系统结构框图如图：2.1.1前馈-反馈复合控制系统方框图2.2反馈控制系统前向通道稳定性分析。
系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。
对2.1.1所示系统反馈环节中开环稳定性分析(不含PID调节器部分)，为分析方便，取：不含PID调节器的开环传递函数可近视写成：6+++2(3s1)(10s1)(5s1)开环Bode图如图2.2.1所示，可见开环系统不稳定。
过程控制系统第五章 前馈控制系统
5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制系统框图如图5-3所示。
Wm (s)
F (s)
W0 (s)
Wf (s)
Y (s)
图5-3 前馈控制系统框图
图中， Wm (s)为前馈控制器，传递函数 Wf (s) 为过程扰动通道传递函数；W0(s) 为过程控制通道传递函数；F(s) 为系统可测不可控扰动；Y (s) 为被控参数。
假变即设化通换幅过热值流器大量的，变物且送料对器流出测量口量温物q 度料是流影量响2的被q影控，响量并力将最2流的显量主著变要。送扰为器动此的，，输此采出时用信前q号馈送变控到化制前频方馈繁式补，，
偿器，前馈补偿器根据其输人信号，按照一定的运算规律操作调节阀，从而
改变加热用蒸汽流量 qD，以补偿物料流量 q 对被控温度的影响。
图 5 4 所 示 为 炼
5.2 前馈控制系统的结构形式
FFC
FT
qF
TT TC
0
qB
图5-4 加热炉前馈-反馈控制系统
5.2 前馈控制系统的结构形式
典型的前馈-反馈控制系统如图5-5所示。它是由一个反馈回路和一个外环 补偿回路叠加而成的复合系统。
X
F
Wm (s)
Wc (s)
4. 前馈控制属于开环控制，只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。
5.1 前馈控制的基本概念
5.1 前馈控制的基本概念
到目前为止，所讨论的控制系统，如单回路控制系统、串级控制系统，都是 有反馈的闭环控制系统，其特点是当被控过程受到扰动后，必须等到被控参数 出现偏差时，调节器才动作，以补偿扰动对被控参数的影响。众所周知，被控 参数产生偏差的原因是由于扰动的存在，倘若能在扰动出现时就进行控制，而 不是等到偏差发生后再进行控制，这样的控制方案一定可以更快、更有效地消 除扰动对被控参数的影响。前馈控制正是基于这种思路提出来的。
过程控制课程设计--前馈-反馈控制系统的设计与整定
过程控制课程设计--前馈-反馈控制系统的设计与整定北华航天工业学院课程设计报告（论文）设计课题：过程控制专业班级：学生姓名：指导教师：设计时间：201311.25-2013.12.06北华航天工业学院电子工程系过程控制课程设计任务书指导教师：教研室主任：2013年12月6日内容摘要自本世纪30年代以来，自动化技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。
自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
自动控制按输入量的变化规律分类，可分恒值控制系统（Fixed Set-Point Control System）、随动控制系统（Follow-up Control System）、过程控制系统（Process Control System）。
前馈-反馈控制系统的设计与整定，采用自动控制技术，实现对水箱液位的过程控制。
首先对被控对象的模型进行分析。
然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计流量控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
关键词：自动化过程控制PID目录一概述 (1)二方案设计与论证 (2)2．1 前馈控制 (2)2．2 反馈控制 (2)2．3 前馈-反馈控制 (3)2．4前馈-反馈控制系统PID算法 (4)2．5 控制方案的论证 (5)2．5．1控制方案的可靠性 (5)2．5．2控制方案的安全性 (5)2．5．3控制方案的经济性 (5)三仪表的选择与参数的设定………………………………………………………6 3．1 设备型号 (6)3．2 调节器及其参数的设置 (7)3．3 仪器仪表的组合安装 (8)3．4 计算机的参数设置 (9)四实验步骤…………………………………………………………………………9 五实验结果………………………………………………………………………10 六结论 (11)七心得体会………………………………………………………………………12 八参考文献………………………………………………………………………13一、概述PCT—I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。
基于S7-300PLC流量前馈反馈闭环过程控制系统
目录1引言 (1)2 基于S7-300PLC流量前馈/反馈闭环过程控制系统硬件方案计 (2)2.1流量前馈/反馈闭环系统硬件系成 (2)2.2流量前馈/反馈闭环系统硬件系统电气接线图设计 (3)3 S7-300PLC流量前馈/反馈闭环过程控制系统设计 (3)3.1流量前馈/反馈闭环系统控制原理 (3)3.2流量前馈/反馈闭环系统PLC硬件组态论述 (3)3.3流量前馈/反馈闭环系统控制程序流程图论述 (5)3.4流量前馈/反馈闭环系统控制程序功能设计 (6)4流量前馈/反馈闭环系统上位监控系统设计 (8)4.1 S7-300与WINCC建立通讯连接 (8)4.2流量前馈/反馈闭环系统数据词典论述 (8)4.3流量前馈/反馈闭环系统工艺图形组态 (9)4.4流量前馈/反馈闭环系统历史趋势组态 (10)4.5流量前馈/反馈闭环系统实时趋势组态 (11)4.6流量前馈/反馈闭环系统数据报表组态 (12)5 流量前馈/反馈闭环系统调试及结果分析 (12)5.1系统调试及结果分析 (12)5.2结果分析与总结 (13)结束语 (14)附录：带功能注释的源程序 (15)1引言设计S7-300PLC流量前馈/反馈闭环过程控制系统,实现S7-300作为主站控制器，主从站通过PROFIBUS-DP 实现通讯连接，实现主-从站的数接收与发送。
主程序OB1功能：系统启动、停止和复位：定时中断子程序OB35，每100ms 进入中断程序一次，通过功能块FC105，FC106 处理模拟量数字量间转换，采用FB41作为PID模块。
设计一个手动输出量LMN的控制器，控制电动执行器阀门开度为70%，提供流量2前馈信号。
反馈控制器设计：反馈控制器为流量内给定量700升，整定PID参数、量程上/下限、过程量采集、控制量输出等功能。
死区设定为5%。
采用FC105块实现实时读取模拟量SM331模块的流量反馈量，并进行流量物理量刻度转换，送入PID木块FB41的过程量输入端通过循环中断，定时用FB41的PID算法功能块，实时计算控制量LMN输出采用FC106块把PID模块输出的控制量转换为标准的数字量，送入模拟量输出模块SM332，作为电动机执行器输入信号，来控制阀门开度数据块DB定义参数，并作为背景数据存储系统有总启动、停止按钮操作功能同时，系统要求无超调量，稳态误差3%，加前馈扰动能克服采用WICC上位监控软件，设计出流量前馈/反馈的上位机监控系统，包括建立通信、数据变量组态、工艺图形组态、数据组态与显示、趋势组态与显示、报表组态与显示等功能。
前馈控制系统系统设计与实验资料报告材料
前馈控制系统设计与实验报告院系：信息科学与技术学院组员：自控1105 高月 2011014152自控1105 2011014130测控1101 王旭 2011014342指导教师：江弘2014年7月12日目录一、概述 (4)二、课程设计任务及要求 (4)2.1、控制流程分析 (4)2.1.1目的 (4)2.1.2要求 (5)2.1.3说明 (5)2.1.4流程设计分析 (5)2.2、控制参数估算 (6)2.3、具体前馈控制方案设计 (7)2.4过程仪表选型 (12)2.4.1XMAF5000福光百特智能仪表 (12)2.4.2 电磁流量计········错误!未定义书签。
2.4.3压力液位传感器······错误!未定义书签。
2.5、进行系统仿真 (15)2.6、数据整理、绘图、制表 (22)2.7、总结 (21)一、概述前馈控制系统是一种依据“系统不变性”原理，按照“扰动进行调节”的开环控制系统。
既然是开环，该扰动量必须是可测而不可控的。
所以，该控制系统的作用不能抑制扰动量，只能采用特定的方法补偿扰动对被控参数造成的影响。
显然，根据扰动提前进行补偿的思想是先进的，应该说比被调参数受到扰动、造成偏差后才进行调节要更及时、有效；特别是当控制通道时间常数较大，滞后较大时。
如果补偿设计得当，可以产生很好的效果，但现场不是所有的干扰都可测，并且都可以设计出合适的补偿环节。
前馈控制器是需要用户根据要求进行设计的控制器。
二、课程设计任务及要求2.1、控制流程分析2.1.1目的构建前馈-反馈控制系统，并进行操作和运行该系统，深入理解前馈-反馈控制控制系统的结构与工作原理；了解、掌握前馈-反馈控制系统的投运及整定过程及步骤。
2.1.2要求当外部干扰发生时，通过对可测干扰的补偿，更快地克服干扰的影响，更好地保证被控参数稳定。
前馈控制系统设计
前馈控制系统设计第一章绪论1.1目的和意义前馈控制其实并不是一种新的控制方法,古老的按扰动进行调节的开环系统就是一种前馈控制。
虽然它有不少优点,但过去由于自动化技术工具的落后,使得它在工业生产上的应用受到一定的限制。
随着反馈控制技术的迅速发展,前馈控制便渐渐退居次要地位。
近来,由于电子技术、尤其是电子计算机在工业生产上的大规模应用,为前馈控制的实际应用提供了越来越大的可能性。
于是,前馈控制以其独特的优点,重新得到了应有的重视与研究。
前馈控制系统为前馈控制的一种形式，是控制部分发出指令使受控部分进行某种活动，同时又通过另一快捷途径向受控部分发出前馈信号，受控部分在接受控制部分的指令进行活动时，又及时地受到前馈信号的调控，因此活动可以更加准确。
在工业生产过程中，最常见的被控过程是各类热交换器、塔器、反应器、加热炉、锅炉、窑炉、储液槽、泵、压缩机等。
每个过程都各有其自身固有特性，而过程特性的差异对整个系统的运行控制有着重大影响。
有的生产过程较易操作，工艺变量能够控制的比较平稳；有的生产过程很难操作，工艺变量容易产生大幅度的波动，只要稍不谨慎就会跃出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。
只有充分了解和熟悉生产过程才能得心应手的操作，使工艺生产在最佳状态下进行。
在自动控制系统中，若想采用过程控制装置来模拟操作人员的劳动，就必须充分了解过程的特性，掌握其内在规律，确定合适的被控变量和操作变量。
在此基础上才能选用合适的检测和控制仪表，选择合理的控制参数，设计合乎工艺要求的控制系统。
特别在设计新型的控制方案时，例如前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、预测控制、软测量技术及推断控制、自适应控制、计算机最优控制等，多数都要涉及到过程的数学模型，更需要考虑过程特性。
前馈控制有很多优点，所以前馈控制在工业生产中起着重要的作用，尤其是在家电、石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。
而本课题就是结合中央空调中的送风温度控制环节来学习前馈控制系统。
8.1.1过程控制系统前馈控制169
为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思 路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。
例 针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统
蒸汽
FB
M
FT
冷物料 入口
换热器
冷凝水
热物料 出口
用方框图表示：
Gb(s)
Gb(s)FB
Gm(s) FT Q(s)
冷物料 入口
Gv(s) 蒸汽 M
Gv(s)
Go(s)
Gfs) 换热器
蒸汽 FB ∑ M
FT
冷物料 入口
换热器
冷凝水
TC
TT
热物料 出口
在前馈——反馈复合控制系统中，设定值X(s)、 干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为：
Y(s)
G0 (s)Gv (s)G c(s)
X (s)
1 G0 (s)Gv (s)Gc (s)GmT (s)
Gf (s) Go (s)Gv (s)Gb (s)GmF (s) F (s) 1 Go (s)Gv (s)Gc (s)GmT (s)
F(s)
GmF(s)
Gb(s)
Gf(s)
X(s) ＋
Gc(s) ＋ ＋ Gv(s) Go(s) ＋ ＋
Y(s)
－
GmT(s)
干扰通道的传递函数为：
Yf
(S)
Gf
(s) 1
Go (S)Gv (S)Gb (S)GmF (S) Go (s)Gv (s)Gc (s)GmT (S)
F
(s)
1、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明
冷凝水
Q(s) Gm(s)
Gfs)
＋＋
Go(s)
Y(s)
Y(s) 热物料 出口
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20 16－20 17 学年第一学期第 15 周－ 15 周注：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。
过程控制系统课程设计
课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化0905班指导教师：傅剑工作单位：自动化学院题目: 锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计初始条件锅炉汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。
汽包水位过高会影响汽水分离效果，水位过低则损坏锅炉。
以汽包水位为控制量，以给水量为被控量。
该对象的只要蒸汽负荷为扰动量，试设计一控制系统，使汽包水位维持在120㎝，稳态误差±0.4㎝，以满足生产要求。
要求完成的主要任务:1、了解锅炉生产蒸汽工艺设备及其工作流程2、基于对象特点分析，绘制液位控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书5、锅炉汽包水位单冲量控制系统进行数值仿真6、总结课程设计的经验和收获时间安排1月14日选题、理解课题任务、要求1月15日方案设计1月16日-17日参数计算、撰写说明书1月18日答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。
锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。
汽包水位是锅炉运行的主要指标。
保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。
因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。
如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。
水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，来不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。
因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制.汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。
保持锅炉汽包水位在一定范围是锅炉稳定安全运行的主要指标。
前馈反馈复合控制课程设计
淮海工学院课程设计报告书课程名称：控制系统课程设计题目：前馈反馈复合控制设计系（院）：电子工程学院学期： 2014-2015-2专业班级：自动化121姓名：陶涛学号： 2012120862目录1引言............................................................... 2前馈—反馈复合控制系统的概述.......................................2.1基本概念.......................................................2.2系统的组成.....................................................2.3系统的特点.....................................................3 控制系统设计与要求.................................................3.1案例要求.....................................................3.2拟合曲线的仿真及传递函数的确定.................................3.2.1 MATLAB的介绍..............................................3.2.2温度测试数据的拟合和仿真响应曲线...........................3.3 利用临界比例度法整定参数.......................................3.3.1操纵变量对被控变量传递函数的PID参数整定...................3.3.2干扰对被控变量传递函数的PID参数整定.......................3.4 前馈反馈系统仿真与整定.........................................3.4.1静态前馈反馈的仿真.........................................3.4.2动态前馈反馈的仿真.........................................4 控制系统硬件电路设计...............................................4.1 proteus的介绍.................................................4.2单片机芯片的选用...............................................4.3 单片机的最小系统设计...........................................4.4 单片机的A/D,D/A转换电路设计...................................4.5 显示电路设计...................................................4.6 键盘电路设计...................................................4.7 自动/手动切换电路与报警电路电路设计............................5 控制系统软件设计...................................................5.1 软件规划......................................................5.2 程序流程图....................................................6 总结...............................................................7 参考文献...........................................................8 附录—单片机控制硬件总电路图.......................................1引言换热器是过程控制生产中普遍使用的换热装置之一，工业介质经过换热器后一般能达到比较好的温度控制效果，为下一步工艺过程创造良好的工艺介质反应温度条件，其出口温度控制的精度，直接影响下一工艺的反应过程，因此，换热器出口温度的控制方案设计在工程控制系统设计中占有比较重要的作用。
C5前馈反馈过程控制系统
1 加热炉温度反馈控制系统
加热炉温度反馈控制系统
1
2 加热炉温度反馈控制系统在被加热物料流量变化较 大情况下存在的问题
加热炉温度反馈控制系统
2
3
加热炉温度反馈控制系统在被加热物料流量变化 较大情况下系统性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的仿真
3
4
加热炉的前馈—反馈控制系统
4
5
加热炉前馈—反馈控制系统的方框图
15
15 换热器前馈—反馈温度控制系统虚拟软件
16 结论 对于较大的可测的扰动，其对控制系统性能的影 响，可以考虑用前馈的方法予以消除。 前提是了解该扰动通道的传递函数或特性，而设 计出相应的前馈控制器。
前馈控制器一般和反馈控制器一起由软件编程实 现。
16
F2(s) W02(S) W01(S)
Wf (S) ﹢
12
F(s)
Wcm(S ﹢ Wc1(S) ﹢ ﹢ Wc2(S)
F2(s) ﹢ W02(S) W01(S)
Wf (S) ﹢
F(s)
Wcm(S W02’(S) =
﹢ Wc1(S) ﹢
Wc2(S) · W02(S) 1 + Wc2(S) · W02(S) W01(S) Wf (S) ﹢
F(s) Wcm(s) Wf (s) ＋ W0 (s) ＋ Y
＋ Wc(s) R
＋ ＋
M
Wm(s)
5
6
前馈控制器传递函数Wcm (s)的推导
为使得干扰F(s)对被控参数Y (s)没有影响， 需有 F(s) · Wcm(s) · W0(s) + F(s) · Wf(s) = 0 既 F(s) · [ Wcm(s) · W0(s) + Wf(s) ] = 0 所以应有： [ Wcm(s) · W0(s) + Wf(s) ] = 0 则 Wcm(s) = - Wf(s) / W0(s)
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过程控制课程设计任务书设计目的根据设定的液位对象和其他配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持恒定或保持在一定误差范围内。
2 控制要求在工业过程控制中，实现前馈-反馈单回路控制。
前馈控制的基本概念使测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按其信号产生合适的控制作用去改变操纵变量，使控制变量维持在设定值上。
前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性，按被控对象既定控制规律;反馈控制的控制规律采用PID规律。
将前馈与反馈有效地结合，运用前馈控制在扰动发生后，抑制由主要扰动引起的被控量所产生的偏差；同时运用反馈控制，消除多种扰动对被控量的影响。
3 系统结构设计3.1 控制方案本设计通过前馈反馈控制系统实现对液位的控制。
在前馈反馈控制系统中，前馈控制属于开环控制，在设计中经过对主流量的检测，及时的针对主要扰动进行液位的偏差抑制。
当流量测量值较预定值发生波动，即时通过计算机进行PID计算，输出控制信号，进行液位调节；反馈控制属于闭环控制，通过对液位的测量，及时对液位进行调控。
反馈环节通过对液位的监测，将测量值与给定值进行比较，形成偏差后，通过A/D传输给计算机，进行预先设定的PID计算，输出控制型号，进行液位调节。
前馈反馈控制原理框图如下：图3.1 前馈反馈系统框3.2 仪表选择图3.2.1 流量传感器流量传感器采用V锥体流量计。
V锥体在流场中产生的节流效应，通过检测上下游压差来测量流量。
与普通节流件相比，它改变了节流布局，从中心孔节流改为环状节流。
实践证明，V锥形流量计与其它流量仪表相比，有长期精度高、稳定性好、受安装条件局限小、耐磨损、测量范围宽、压损小、适合脏污介质等优点。
3.2.2 过程模块采用牛顿7000系列远程数据采集模块作为计算机控制系统的数据采集通讯过程模块。
牛顿7000系列模块体积小，安装方便，可靠性高。
D/A模块采用牛顿7024，四通道模拟输入模块。
电压输入1~5VDC。
使用7017模块的4通道IN4作为温度信号检测输入通道。
通信模块采用牛顿7520，RS232转换485通讯模块。
使用RS-232/RS-485双向协议转换，速度为300~115200BPS，可长距离传输。
图3.2 牛顿7000系列模块控制回路中电磁阀的开关量输出模块采用牛顿7043，16通道非隔离集电极开路输出模块。
最大集电极开路电压30V,每通道输出电流100mA，可直接驱动电磁阀设备。
3.2.3 电动调节阀采用电动调节阀对控制回路的水的流量进行调节。
采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动调节阀，无需配伺服放大器，驱动电机采用高性能稀土磁性材料制造的同步电动机，运行平稳，力矩大，抗堵转，控制精度高。
控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。
有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转实现对压力、流量、温度、液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄露量少的优点。
采用PS电子式直行程执行机构，4-20mA阀位反馈信号输出双导向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断力，保证阀门的可靠关断，防止泄露。
稳定性可靠，控制精度高，使用寿命长等优点。
图3.3 电动调节阀3.2.4 其他设备在控制系统回路中所涉及的设备还有水泵，变频器，电磁阀，开关电源等。
水泵采用丹麦格兰富循环水泵。
噪音低，寿命长，杨成可达10米，功率小，220V 供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可以构成恒压供水系统。
所用到的电磁阀的工作电源为DC24V，关断能力强，使用方便，结构简单。
所采用的24V开关电源最大电流是2A，可以满足系统的需要。
图 3.4水泵3.3 系统流程图图3.5 前馈反馈系统流程图3.4 控制规律前馈反馈控制系统是通过PID控制规律实现对液位控制的最终目的，PID控制是比例—积分—微分的简称。
工业生产工程自动控制的发展历史中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。
PID算法具有以下的优点：（1）原理简单，使用方便；（2）适应性强；（3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
4 系统组态设计4.1 组态王简介组态王是在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能化软件包。
该软件包从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中，同时负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，还可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监控功能，并按实际需要生成历史数据文件，它以Windows 98/Windows 2000/Windows XP中文操作系统为操作平台，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务。
它具有丰富的图库及图库开发工具，支持各种主流的PLC、智能仪表、板卡和现场总线等工控产品，有一种类似C语言的编程环境，便于处理各种算法和操作，还内嵌了许多函数供用户调用，实现各种功能。
4.2 组态软件设计在Windows XP环境下，控制系统软件以组态王6.01作为开发平台。
整个监控系统实现数据采集，总体监视，设备控制，相关参数实时在线调整，显示实时曲线，历史曲线等功能。
4.2.1 设备设置组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，具体讲就是每一个实际I/O设备都必须在组态王中指定唯一的一个逻辑名称，此逻辑设备名就对应这该I/O设备的生产厂家、实际设备名称、设备通信方式、设备地址、与上位计算机的通信方式等信息的内容。
系统中与上位计算机进行数据交换的外部设备主要是A/D设备，牛顿7017模块和D/A设备，牛顿7024模块。
在组态王软件工程浏览器中，设置7017模块IN4通道和7024模块和I/O1通道名称分别为AD和DA,与计算机COM1串口通信，通信地址分别为0和1.通信参数的设置如下表所示：表4.1 通信参数设置表4.2.2 组态画面本系统绘制的组态画面主要有开机画面，系统组成画面等。
开机画面主要显示课题题目，制作人姓名，班级等相关信息。
画面上设置有两个提示按键，分别提示操作员进入主界面或推出操作系统等。
系统主界面主要绘制的是前馈反馈单回路控制系统的工艺组成图。
包括水箱，管道，流量计和阀门等设备以及相关的操作提示按钮等。
基于动画连接，主界面可实现自动，手动操作的切换，以及显示PID参数整定框和实时曲线框以方便操作员在线调整PID参数观察控制效果。
系统主界面如下图所示：图4.1 开机画面图4.2前馈反馈系统组态图4.2.3 变量定义根据控制系统的需要建立数据词典，以便确定内存变量与I/O数据，运算数据的关系。
只有在数据词典中定义的变量才能在系统的控制程序中使用。
本系统中所涉及到的变量的类型重要有与A/D、D/A设备进行数据交换的I/O实型变量，控制电磁阀开关的I/O离散变量，用于定义开关动画连接的内存离散变量，参与PID运算的内存型实型变量和实现各种动画效果所用到的内存实型或内存整型变量等。
具体的数据词典如下图所示：图4.3 数据词典4.2.4 PID 控制算法根据前馈反馈控制系统的原理，运用组态王所提供的类似于C 语言的程序编写语言实现PID 控制算法。
由于温度系统大滞后特点，取采样周期为Ts=20s 。
本系统采用PID 位置控制算法，其控制算式如下：0120122()(1)(1)()(1)(1)(2)(1)()(1)(2)(1)2(1)d d d p p p i d p i d p d p T T T T u k u k K e k K e k K e k T T T Tu k a e k a e k a e k T T a K T TT a K T T a K T =-+++-+-+-=-+--+-=++=+=上述算式中，p K 为比例系数，i T 为积分时间，d T 为微分时间，以()u k 作为计算机当前的输出值，以P S 作为给定值，v P 作为反馈值，即A/D 设备的转换值，()e k 作为偏差。
在组态王画面中，可以通过设置PID 参数调整框依据实时曲线在线调整PID 参数。
PID 控制算法程序流程图如下图所示：图4.4 PID 控制算法程序流程图4.2.5 趋势曲线趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线。
在组态王中通过图库可方便地绘制曲线画面，在趋势曲线中可显示系统运行时各个主要变量的历史记录，可以查询遗爱按任意时段的历史记录，还可设定查询的时间范围，显示某查询时间和该时间所对应的被控变量值等。
实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反应变量随时间的变化。
在前馈反馈控制系统中，趋势曲线所要表达的三个参数分别为计算机依据PID 算法的输出值()u k ，系统给定值P S 和检测反馈值v P 。
实时趋势曲线和历史趋势曲线分别如下图所示：图4.5 实时趋势曲线图4.6 历史趋势曲线附录 脚本程序启动时：DO1=0;DO4=0;Ts=1;P1=KpI1=Ti/Ts;Uk0=0;Uk1=0;Uk2=0;Uk3=0;Uk=0;ek0=0;ek01=0;ek02=0;运行期间：If(\\本站点\实时控制==1){VV1=1；VV4=1;P1=Kp;I1=Ti/Ts;D1=Td/Ts;Sp1=sp；Pv1=\\本站点\liquid-up;If(\\本站点\自动==1){\\本站点\a01=\\本站点\P1*(1+1\\本站点\I1+\\本站点\D1);\\本站点\a11=\\本站点\P1*(1+2*\\本站点\D1);\\本站点\a21=\\本站点\P1*\\本站点\D1;\\本站点\ek0=\\本站点\sp-1\\本站点\PV;\\本站点\uk4=\\本站点\a01*\\本站点\ek0-\\本站点\a11*\\本站点\ek01+\\本站点\a21*\\本站点\ek02+\\本站点\uk01;\\本站点\uk01=\\本站点\uk4；\\本站点\ek02=\\本站点\ek01；\\本站点\ek01=\\本站点\ek0；If（\\本站点\uk4<1000）{ if(\\本站点\uk4<0){\\本站点\uk0=0;}else{\\本站点\uk0=\\本站点\uk4; }}Else{\\本站点\uk0=1000;}uk=uk0;}Else{\\本站点\uk0=UK;}}Else{Uk0=0;Uk1=0;Uk2=0;Uk3=0;Uk=0;VV1=0;}关闭时：D01=0; D04=0; Uk0=0; Uk1=0; Uk2=0; Uk3=0; UK=0;。