前馈—反馈复合控制系统
前馈反馈控制系统工作原理
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第五章 复合控制系统控制系统
(1)
(2)
•微分先行：式(3)、式(4)。
k c (TI s + 1)e −τs Y( s ) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs ( 3)
2、解决办法
•两塔之 间增设缓冲器 (不适宜)。 •采用均 匀控制系统 (上策)。 3、均匀控制的含义 •是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 、均 匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协 调的系统。
4、均匀控制的特点 •表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变 化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。
四、前馈--串级控制系统
1、方法的提出 •为了保证前馈控制 的精度，常希望控制阀 灵敏、线性等； •采用串级控制系统 可满足以上要求。 2、原理与结构图
3、应用举例：
思考题
1、前馈控制有哪几种主要型式？ 2、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 3、为什么一般不单独使用前馈控制方案？
第六章 大滞后补偿控制
§ 6- 1 克服纯 滞后的 几种常 见方案
6.2
6.3
1、预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，但需 控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 2、采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。 3、改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 4、其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
第七章 实现特殊要求 2 3 4 的过程控制系统
一、概述
§7-1 比值控制系统
《仪表选用及DCS组态》 2.5 前馈-反馈控制系统设计
所谓静态前馈控制，是指前馈控制器的控制规律 为比例特性，即GB(0)=-GF(0)/GO(0) =-KB，其大小是 根据过程干扰通道的静态放大系数和过程控制通道的 静态放大系数决定的。例如在上图所示的换热器前馈控制 方案中，其前馈控制器的静态特性为KB=-Kf/KO。
（二）动态前馈控制系统
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.5.5 前馈控制系统的设计
汽包水位的前馈—串级控制系 （三冲量控制系统）
锅炉汽包水位控 制系统的任务是：使 给水量和锅炉蒸发量 相平衡，使锅炉汽包 水位维持在工艺规定 的范围之内。
影响汽包水位的 因素主要有：蒸汽负 荷变化干扰、给水量 的调节。
2.5.1 前馈控制的基本概念
前馈控制 （feedforward control sysytem）是一种开环控 制，直接按干扰大小进 行控制，以补偿干扰作 用对被控变量的影响。
2.5.2 前馈控制的特点和局限性
（一）前馈控制的特点
①前馈控制是一种开环控制 ②前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制 ③前馈控制器是专用控制器 ④前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的
右图为加热炉前馈— 串级复合控制系统示意图。
2.5.4 前馈控制系统的选用
①当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可 控的干扰时，可以引入前馈控制
②当过程控制通道滞后大，其时间常数又比干扰通 道的时间常数大时可以选用前馈控制。
③当主要干扰无法用串级控制方案使其包含在副回 路内，或者副回路滞后过大时，串级控制系统克服干扰 的能力就比较差，此时选用前馈控制能获得很好的控制 效果。
一般是在静态前馈控 制的基础上，加上延迟环 节或微分环节，以达到对 干扰作用的近似补偿。
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点前馈控制与反馈控制是控制系统中常用的两种控制方法。
它们各自具有一些优点和缺点，本文将对这两种控制方法进行详细说明。
一、前馈控制的优点：1. 响应速度快：前馈控制是根据预测模型进行控制，可以提前预测系统的变化趋势，因此能够快速响应外部干扰或参考信号的变化。
2. 稳定性好：前馈控制可以有效抑制系统的不稳定因素，提高系统的稳定性。
通过提前补偿干扰或参考信号，可以减小系统的误差，使系统更加稳定。
3. 控制精度高：前馈控制可以根据预测模型精确地计算出控制信号，避免了传统反馈控制中由于传递函数等原因引起的误差积累，从而提高了控制精度。
4. 抗干扰能力强：前馈控制可以提前补偿系统的干扰，减小干扰对系统的影响，从而提高系统的抗干扰能力。
二、前馈控制的缺点：1. 对系统模型的要求高：前馈控制需要准确的系统模型作为基础，如果系统模型存在误差或不准确，将会导致控制效果下降甚至失效。
2. 对干扰的预测能力有限：前馈控制是根据预测模型进行控制，对于无法准确预测的干扰或非线性因素，前馈控制的效果会受到限制。
3. 对系统参数的变化敏感：前馈控制的控制策略是基于系统模型的，一旦系统参数发生变化，需要重新设计前馈补偿器，对于参数变化频繁或不确定的系统，前馈控制的应用会受到限制。
三、反馈控制的优点：1. 对系统模型的要求低：反馈控制是根据系统的实际输出进行控制，不需要准确的系统模型作为基础，因此适用范围更广。
2. 适应性强：反馈控制可以根据系统的实际输出进行调整，能够适应系统参数变化和干扰的影响，具有较好的适应性和鲁棒性。
3. 控制效果稳定：反馈控制能够通过不断调整控制器的参数，使系统的输出逐渐趋近于参考信号，从而实现稳定的控制效果。
4. 易于实现和调试：反馈控制不需要准确的系统模型和预测算法，通常可以通过实验和试错的方式进行参数调试，具有较好的实用性和可操作性。
四、反馈控制的缺点：1. 响应速度较慢：反馈控制依赖于系统的实际输出，需要等待系统的响应，因此相对于前馈控制而言，响应速度较慢。
前馈控制
为解决前馈控制上述局限，工程上将前馈控制和反馈控制结合 起来。发挥前馈控制能及时克服主要扰动对被控量的影响，又保 持了反馈控制能克服多个扰动影响，同时降低了系统对前馈补偿 器的要求，使其在工程上便于实现。
前馈—反馈复合控制系统
Gff
+
TC
FS
F
θ1
图上.换热器前馈-反馈控制系统
馈控制器
+ — —
执行器 测量、变送
对象
Wff(s)
f
Wd(s)
r _
Wc(s)
y
Wv(s)
Wo(s)
Wm(s)
前馈控制器应用场合
（1）干扰幅值变化大且频繁，对被控变量影响剧烈，仅 采用反馈控制达不到要求的对象。 （2）主要干扰是可测而不可控的变量。 （3）当对象的控制通道滞后时间较长、反馈控制不及时， 可采用前馈或前馈—反馈控制系统，以提高控制质量。
limy(t)0 (f(t)0)
t
静态前馈系统就属于此类系统，其控制规律为
Wff
(s)
Wd (s) Wo(s)
这是一个比例环节，它是前馈控制中最简单的形式。
2 动态前馈控制系统
当工艺上对控制精度要求高，其他控制方案难以满足时，且存 在一个“可测不可控”的主要扰动时，可考虑使用动态前馈控制 方案。
前馈控制系统
前馈控制原理
所谓前馈控制，它是与反馈控制相对而言的。反馈控制是在 系统受到扰动，被控量发生偏差后再进行控制，而前馈控制的基 本思想就是根据进入过程的扰动量（包括外界扰动和设定值变 化），产生合适的控制作用，使被控量不发生偏差。
前馈及复合控制
前馈及复合控制一、前馈及复合控制的基本概念在前面讨论的控制系统中，控制器都是按被控参数或其反馈值及给定值的偏差大小进行控制的，这种控制系统称为反馈控制系统。
对于反馈控制系统无论是什么干扰引起被控参数的变化，控制器均可根据偏差进行调节，这是其优点；但从干扰产生到被控量发生变化以及偏差产生到控制作用产生，再由控制量改变到被控量发生变化，都需要一定的时间，所以控制总是落后于干扰作用。
由于反馈控制的作用机理决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前。
因此，对一些滞后较大的对象来说，控制作用总是不及时，从而限制了控制质量的提高。
为了解决上述问题，可以采用按扰动直接进行控制，即当扰动一出现，控制器就直接按扰动的性质和大小，以一定规律进行控制，可使被控量还未变化之前，就克服干扰对系统的影响，从而使控制作用提前和控制精度进一步提高。
这种按干扰进行控制的方式称为前馈控制。
现以图7-16换热器出口温度控制为例作进一步的说明。
图7-16 换热器出口温度控制加热蒸汽通过换热器中排管的周围，把热量传给排管内的被加热物料，物料的出口温度T由蒸汽管路上的控制阀调节。
假设被加热物料的进料流量Q变化是影响被控制量出口温度T的主要扰动。
若采用反馈控制见图7-16 a）所示。
当物料流量Q发生扰动时，要等到出口温度T变化后，产生偏差，控制器才会动作，经控制阀改变加热蒸汽流量以后，又要经过热交换过程的惯性，才会使T变化。
这样可能使T产生较大的动态误差。
如果采用前馈控制方式，见图7-16 b）所示。
用一个流量检测变送器测取扰动量即被加热物料的流量Q，并将信号送到前馈控制器。
前馈控制器经过一定的运算去调节控制阀，以改变蒸汽流量来补偿进料流量Q变化对被控量T的影响。
只要蒸汽量改变的幅度和动态过程适当，就可以显著地减小或完全补偿由于扰动量的波动所引起的出口温度的波动。
假如进料扰动量为阶跃变化，补偿过程见图7－17所示。
图7-17 前馈控制系统的补偿过程图中曲线a为不加控制时的温度阶跃响应，曲线b是前馈控制作用引起的出口温度变化曲线。
第五章2 前馈-反馈控制系统
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前馈—反馈控制系统框图
5.2.2 前馈控制系统的结构形式
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5.2.2 前馈控制系统的结构形式
前馈—反馈控制系统优点：
(1) 由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统， 只需对主要的干扰进行前馈补偿，其它干扰可由反馈控 制予以校正； (2) 反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为 工程上实现比较简单的通用模型创造了条件；
K 1 K ] T2 s 1
T1 1时，有 T2 (T1/T2 )-1 T T s 1 1 1 1] K f 1 T2 s 1 T2 T2 s 1
W f ( s) K f [
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常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
K T s 1 正微分器的传递函数： W正 ( s ) d 1 T1s 1 T2 s 1 K d T2 s 1
Wm (s)
o ，则动态前馈控制器为
K f (T o s 1) Ko (Tf s 1) Km (T o s 1) Tf s 1
K o (T f s 1)
W f ( s) Wo (s)
如果 T f To ，则
Wm (s) Km (s)
显然，当被控对象的控制通道和干扰通道的动态特性完全相同时， 动态前馈补偿器的补偿作用相当于一个静态放大系统。实际上，静态前 馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况。
(3) 负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补 偿，因此具有一定自适应能力。
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5.2.2 前馈控制系统的结构形式 前馈—反馈控制系统的局限性： (1) 前馈控制器的输出与反馈控制器的输出相叠加后送至控制
阀，这实际上将所要求的物料流量与加热蒸气流量对应关系
控制系统的反馈与前馈控制技术
控制系统的反馈与前馈控制技术控制系统是现代工程中不可或缺的一部分，它可以用来控制各种各样的系统，从机械装置到电子设备。
控制系统的设计和实现涉及多种技术和方法。
其中，反馈与前馈控制技术是两种常用的控制策略，它们对于提高系统的稳定性和性能至关重要。
本文将介绍控制系统的反馈和前馈控制技术，以及它们的应用和优势。
一、反馈控制技术反馈控制技术是一种通过测量系统输出并与期望输出进行比较，然后对系统进行调整的控制策略。
反馈控制系统通常包括传感器、控制器和执行器。
传感器用于测量系统的输出，控制器根据输出和期望输出之间的差异来指导执行器的行为。
反馈控制技术的基本原理是根据系统的实际运行情况进行实时调整，以达到期望的控制效果。
反馈控制技术具有许多优势。
首先，它可以对系统的不确定性和外部干扰做出快速响应，并自动调整系统以适应环境变化。
其次，反馈控制技术可以提高系统的稳定性和鲁棒性，减少系统运行过程中的波动和振荡。
最后，反馈控制技术还可以实现对系统输出的精确控制，使系统在不同的工作条件下始终保持期望的性能。
二、前馈控制技术前馈控制技术是一种根据系统输入的参考信号预测系统输出，并根据预测结果进行控制的策略。
前馈控制系统通常包括传感器、预测器和执行器。
传感器用于测量输入信号和系统输出，预测器根据输入信号的特征和系统的数学模型来预测系统输出的未来变化，执行器根据预测结果来调整系统的控制策略。
前馈控制技术的主要优势在于它可以通过提前预测和调整系统来消除输入信号对系统性能的影响。
这种技术可以在系统遇到外部扰动或变化时快速响应，从而提高控制系统的性能。
此外，前馈控制技术还可以减少系统运行过程中的误差和稳态偏差，使系统更加可靠和精确。
三、反馈与前馈控制技术的综合应用在实际控制系统中，反馈与前馈控制技术通常会综合应用，以充分发挥各自的优势。
综合应用反馈与前馈控制技术可以实现更加精确和稳定的控制效果，提高系统的性能和鲁棒性。
在一些高精度、高稳定性要求的系统中，反馈控制技术可以提供及时的误差修正，使系统能够在快速变化的工作环境中保持稳定。
前馈控制系统和反馈控制系统的区别
换热器控制方案
前馈控制
外部干扰：工业介质流量 控制变量：蒸汽流量 被控变量：出口温度
反馈控制
实现的经济性和可能性
前馈控制系统：必须对每一个干扰单独构成控制系统,才能克服所有干扰对 被控量的影响.
反馈控制系统：只用一个控制回路就可克服多个干扰.任何干扰,只要它影响 到被控变量,都能在一定程度上加以克服.
稳定性问题
前馈控制系统：开环控制,不存在稳定性问题.
反馈控制系统：控制精度与稳定性相互矛盾,进而限制控制精度的进一步提 高.
前馈控制系统和反馈控制系统的区 别
任凭 20134373
前馈控制系统
前馈控制系统是基于补偿的原理,是根据扰动量的大小进行工作的,扰动 是控制的依据.由于前馈控制没有被控量的反馈信息,因此它是开环控制系统
.
扰动量检测元件、变送器
扰动d
前馈控制器
调节阀
被控过程
图1 前馈控制系统方框图
反馈控制系统
• 反馈控制系统是根据系统被控量和给定值之间的偏差进行工作的,偏差是 控制的依据,控制系统要达到减小或消除偏差的目的.
设定值r + 偏差e 控制器
执行器 控制量u
控制阀
扰动d 被控对象 被控量y 操纵量q
被控量检测元件、变送器 图1 前馈控制系统方框图
控制的依据不同
前馈控制系统：干扰.按干扰大小和方向产生相应的控制作用.
反馈控制系统：被控量.按被控量与设定值的偏差大小和方向产生相应的控 制作用.
控制的效果不同
控制规律不同
前馈控制系统：取决于被控对象,复杂.根据被控对象的特点选用不同调节规 律的专用调节器.
反馈控制系统：符合P、PI、PD、PID等典型规律.PID控制器、DCS、 PLC等.
第五章2前馈-反馈控制系统
5.2.3 前馈控制规律
2.模拟仪表实施
• KF型前馈调节器：利用常规的比例调节器等仪表来实现。
WFF (s) K F
•
KF
T1 s T2 s
1 1
型前馈调节器：一阶超前-滞后的前馈控制器。
不考虑Kf时，这种前馈控制器在单位阶跃干扰作用下的时间特性表示为：
m
f
(t)
1
T2 T1 T2
T2s 1
-
+
输出
+
K
t
W
f
(s)
K
f
[
T2
K s 1
1
K
]
K T1 1 T2
令K T1 1时，有 T2
Wf
(s)
K
f
[(T1/T2 )-1 T2s 1
1
T1 T2
1]
Kf
T1s 1 T2s 1
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常规仪表实现时，由一个正微分器、反微分器及比值器串联而成。
(3)前馈控制模型的精度也受到多种因素的限制，对象特性要 受到负荷和工况等因素的影响而产生漂移，导致扰动通道 的传递函数和控制通道的传递函数的变化。
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5.2.2 前馈控制系统的结构形式
3．前馈-反馈控制系统
反馈控制：在稳态时，使系统在稳态时能准确地使被控量等于给定值； 前馈控制：在动态时，依靠前馈控制能有效地减少被控量的动态偏差，从而提高 控制质量。 在过程控制中这是一种较理想的控制方案.
误差分析： 由于对象干扰通道和调节通道的动态特性
不同所引起的动态偏差，这种偏差是静 态前馈控制无法避免的。
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点
说明前馈控制与反馈控制各自的优缺点前馈控制与反馈控制是控制系统中两种常见的控制策略。
它们各自具有优点和缺点，下面将对这两种控制策略进行详细说明。
我们来讨论前馈控制。
前馈控制是一种通过预测和补偿系统的输入来实现对系统输出的控制的方法。
在前馈控制中，控制系统通过测量输入信号的变化，并通过数学模型预测系统输出的变化，从而提前采取相应的控制措施。
这种方法的优点主要体现在以下几个方面。
前馈控制能够快速响应系统输入的变化。
由于前馈控制是提前对系统输入进行预测和补偿，因此可以在输入信号发生变化之前就采取相应的控制动作，从而能够快速调整系统的输出。
这使得前馈控制在需要快速响应的应用中非常有优势，比如飞行器的姿态控制。
前馈控制能够减小系统的误差。
通过提前预测系统输出的变化，前馈控制可以在系统输出发生偏差之前就进行补偿，从而减小系统的误差。
这对于一些对准确性要求较高的应用非常重要，比如机器人的精确定位和轨迹跟踪。
然而，前馈控制也存在一些缺点。
首先，前馈控制需要准确的数学模型。
由于前馈控制是通过数学模型来预测系统输出的变化，因此需要准确地建立系统的数学模型。
这对于一些复杂的系统来说是非常困难的，因为系统的数学模型可能会受到各种因素的影响而产生误差。
前馈控制对系统的不确定性和扰动不敏感。
由于前馈控制是根据预测的输入信号来进行控制的，因此对于系统的不确定性和扰动不敏感。
这意味着前馈控制无法适应系统的实际变化情况，可能会导致控制效果不理想。
接下来，我们来讨论反馈控制。
反馈控制是一种通过测量系统输出并与期望输出进行比较，然后根据比较结果来调整系统输入的控制方法。
反馈控制的优点主要体现在以下几个方面。
反馈控制能够适应系统的实际变化情况。
通过不断测量系统的输出并与期望输出进行比较，反馈控制可以及时调整系统的输入，以适应系统的实际变化情况。
这使得反馈控制在应对系统的不确定性和扰动时非常有效。
反馈控制对系统的不确定性和扰动具有较强的鲁棒性。
第13讲前馈--反馈控制系统分析
第13讲前馈--反馈控制系统分析一、前馈——反馈复合控制系统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它的扰动信号，这样的控制系统就是前馈——反馈复合控制系统。
2 概念的理解：(1) 复合控制是指系统中存在两种不同的控制方式，即前馈控制和反馈控制；(2) 前馈控制的作用是对主要的扰动信号进行完全补偿，可以针对主要的扰动信号，设计相应的前馈控制器；(3) 引入反馈控制，是为了使系统能克服所有扰动信号对被调量产生的影响；因为除了已知的主要的扰动信号以外，系统中还存在其它的扰动信号，这些扰动信号对被调量的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们根本就考虑不到或无法测量，都通过反馈控制加以克服；(4) 系统中需要测量的信号既有被调量，又有扰动信号；3 前馈——反馈复合控制系统实例分析混合水温的前馈——反馈复合控制系统（如图3－12所示）。
热水调节阀冷水调节阀混合水温θ图3－12 混和水温复合控制示意图流量测量变送器前馈控制器温度测量变送器调节器执行器4前馈——反馈复合控制系统的组成前馈——反馈复合控制系统主要由以下环节构成：(1) 扰动信号测量变送器：对扰动信号进行测量并转换成统一的电信号； (2) 被调量测量变送器：对被调量进行测量并转换成统一的电信号； (3) 前馈控制器：对扰动信号进行完全补偿； (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——反馈复合控制系统的原理方框图如图3－13所示。
C++ 图3－13 前馈反馈复合控制系统原理图Z++-R +W D (s)W B (s)K z K fW ob (s)K mW r (s)K m为便于分析，通常可将前馈——反馈复合控制系统原理图进行简化，如图3－14所示。
热工控制系统课堂前馈反馈复合控制系统
S
zS
可得完全补偿旳条件：
WB
S
WDz S WT S WD
S
三、复合控制时，扰动对输出旳影响要比纯前馈时小得多 为便于比较，设系统为定值控制，即X(S)=0，专门讨论扰动
Z(S)对系统旳影响。因为前馈控制不可能完全补偿，即Y(S)旳第二 项不可能完全为零，令其为△(S)，那么，纯前馈控制时：
y1S WDz S WB S WD S zS S zS
句话说，假如给水量降低10 %，经过30s旳时间，水位将下降
20m下m面。分别讨论多种扰动下水位变化旳动态特征。
（一）给水量扰动下水位变化旳动态特征
H
2
て2
1
て1 图7-4 给水量扰动时水位阶跃响应曲线
图7-4中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位动态特征。曲线2则是 非沸腾式省煤器时旳水位动态特征。
水位在给水扰动下旳传递函数可表达为：
旳水位允许变化范围为200mm，这个范围扰动量旳相对极限制为
100%。上式中:
dH dt
max
1 C
G
D
max
右边一项表达汽包内工质旳变化量，当给水量Ｇ＝0，而蒸发量 为最大时，变化量最大，所以有：
dH dt
max
1 C
Dmax
可见这时旳扰动量是下降旳。故有：
1 C
Dmax
H max Dmax H max 1 F
WB（S）
Z
X
WT（S）
-
WDZ
+ WD（S）
（S）+
Y
图7-2 复合控制系统原理方框图
WB（S）
Z
X
WT（S）
-
WDZ
+ WD（S）
热工控制系统课堂第七章前馈-反馈复合控制系统
测量元件
用于测量被控对象的输入信号 和输出信号，以便进行反馈控
制。
系统软件配置
控制算法
根据被控对象的特性和控 制要求，选择合适的控制 算法，如PID控制、模糊控 制等。
数据处理
对传感器和测量元件采集 的数据进行预处理和后处 理，以提高控制精度和稳 定性。
人机界面
提供操作人员与控制系统 交互的界面，方便操作人 员进行监控和调试。
系统调试与优化
参数调整
根据实际运行情况，对控制系统 的参数进行适当调整，以提高控
制效果。
性能测试
对控制系统的性能进行测试，包 括响应速度、控制精度、稳定性
等指标。
系统优化
根据性能测试结果，对控制系统 进行优化，包括硬件配置、软件
算法等。
05
前馈-反馈复合控制系统 的应用案例
工业过程控制中的应用
考虑抗干扰措施
针对可能存在的干扰因素，采取适 当的抗干扰措施，以提高系统的稳 定性和可靠性。
04
前馈-反馈复合控制系统 的实现
系统硬件配置
01
02
03
04
传感器
用于检测被控对象的输出信号 ，并将其转换为电信号或数字
信号。
控制器
接收传感器信号，根据控制算 法计算出控制信号，并输出到
执行器。
执行器
接收控制信号，驱动被控对象 进行动作。
02
前馈控制系统的设计
确定系统参数
01
02
03
输入参数
确定输入参数是前馈控制 系统的第一步，这些参数 通常包括温度、压力、流 量等。
输出参数
输出参数是系统需要控制 的变量，例如温度、压力 等。
过程参数
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目录课程设计任务书一、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 (3)1.2、概念的理解 (3)1.3、前馈—反馈系统的组成.........................................3—4 1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点.. (4)1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计 (4)二、控制系统的硬件设计2.1、S7—300系统组成 (4)2.2、CPU315—2DP (4)2.3、模式选择开关…………………………………..…….4—52.4、状态及故障显示 (5)三、控制系统的软件设计3.1、硬件组态 (5)3.2、工程管理器的使用 (6)3.3、新建工程....................................................6—9 3.4、组态监控画面. (9)3.5、组态变量……………………………………………9—10 3.6、软件编程…………………………………………..10—153.7、实验结果分析……………………………………….15—17四、控制系统的调试五、实验总结一、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2.1、S7—300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、CPU315—2DPCPU 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。
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。
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4MA—20MA的电流信号转换为5530—27648的数字信号。
三、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5530—27648转化成0—100%如图FC202将0—100%转化成5530—27648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_FAC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 - DISV，微分单元(DIF)设置为0并在内部进行匹配。