复合控制系统

自动控制系统的基本知识（上篇）在现代工业生产中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

所谓自动控制，是指在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）自动地按照预定的规律运行或变化。

自动控制系统，是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，一般是由控制装置和被控对象组成的。

各种自动控制系统都有衡量其性能优劣的具体性能指标。

控制装置在自动控制系统中起着十分重要的作用，自动调节系统中的调节器决定了系统的控制规律，对系统的控制技师有着很大影响。

理论简介自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。

自动控制理论按其发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。

它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，到五十年代末期，自动控制理论已经形成比较完整的体系，通常把这个时期以前所应用的自动控制理论，称为经典控制理论。

经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。

进入六十年代以来，随着自动控制技术的发展，出现了新的控制理论一一现代控制理论。

现代控制理论，以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数、非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。

现代控制理论已成功地应用在航天、航空、航海及工业生产等许多方面。

目前，现代控控制理论正在大系统工程、人工智能控制等方面向纵深发展。

经典控制理论和现代控制理论，两者相轴相成，各有其应用场合。

常用术语1）被控对象被控对象是一个设备，由一些机械或电器零件组成，其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标2）系统系统是由一些部件组成的，用以完成一定的任务。

3）环节环节是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。

4）扰动扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。

若扰动产生于系统内部，则称为内扰；若其来自于系统外部，则称为外抗。

附录 A（规范性附录）复合电子控制系统安全性的特殊要求A.1 总则本附录规定了本标准涉及的复合电子控制系统在安全方面的文件、故障策略及确认的特殊要求。

电子控制系统与安全相关的功能也可通过本标准的特殊条款以采用本附录。

本附录未规定“系统”的性能，而是规定设计过程中应遵循的方法和试验时须向技术部门公开的信息。

该信息应证明系统在正常和错误状态下均能满足本标准其它条款规定的所有适用的性能要求。

A.2 文件A.2.1 要求制造商应提供一系列文件，说明系统的基本设计、与车辆其它系统的连接方式或如何直接控制输出变量。

文件应满足以下要求：a) 应说明制造商对系统功能和安全概念的规定；b) 文件应简明扼要，并证明设计开发利用了相关系统领域的专业技术；c) 为进行定期检查，文件应说明如何对系统当前的工作状态进行检查；d) 文件分为如下两部分：1) 正式文件，包括A.2所列、在提交试验申请时须向技术部门提供的材料(A.2.4.4所列文件除外)。

这些文件将作为A.3规定的确认程序的主要参考依据；2) 附加材料和A.2.4.5的分析数据，由制造商保管但在试验时应予公开、备查。

A.2.2 系统功能说明书A.2.2.1 应提供所有输入和感应变量表，并限定其工作范围。

A.2.2.2 应提供系统控制的所有输出变量表，并说明其在每种情况下是由系统直接控制还是通过车辆其它系统控制。

规定对每种变量实施控制的范围。

A.2.2.3 针对相应的系统性能，说明有效工作范围的界限。

A.2.3 系统布置及示意图A.2.3.1 零部件明细明细表应按序号列出所有的系统单元及实现相应控制功能所需的其它车辆系统。

应提供简要的示意图来说明组合中各单元，并标明装备的分布及相互连接关系。

A.2.3.2 单元的功能简要说明系统各单元的功能及其与其它单元或车辆其它系统连接的信号。

可通过带标注的模块图或其它示意图提供，也可借助图表说明。

A.2.3.3 相互连接分别用电路图、光纤图、管路图和布置简图简要说明电控传输装置、气压或液压传输装置和机械连接装置在系统内部的相互连接。

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。

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。

第一章自动控制的一般概念1.1 自动控制的基本原理与方式1、自动控制、系统、自动控制系统◎自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律（给定值）运行。

◎系统：是指按照某些规律结合在一起的物体（元部件）的组合，它们相互作用、相互依存，并能完成一定的任务。

◎自动控制系统：能够实现自动控制的系统就可称为自动控制系统，一般由控制装置和被控对象组成。

除被控对象外的其余部分统称为控制装置，它必须具备以下三种职能部件。

•测量元件：用以测量被控量或干扰量。

•比较元件：将被控量与给定值进行比较。

•执行元件：根据比较后的偏差，产生执行作用，去操纵被控对象。

参与控制的信号来自三条通道，即给定值、干扰量、被控量。

2、自动控制原理及其要解决的基本问题◎自动控制原理：是研究自动控制共同规律的技术科学。

而不是对某一过程或对象的具体控制实现（正如微积分是一种数学工具一样）。

◎解决的基本问题：•建模：建立系统数学模型（实际问题抽象，数学描述）•分析：分析控制系统的性能（稳定性、动/稳态性能）•综合：控制系统的综合与校正——控制器设计（方案选择、设计）3、自动控制原理研究的主要内容4、室温控制系统5、控制系统的基本组成◎被控对象：在自动化领域，被控制的装置、物理系统或过程称为被控对象（室内空气）。

◎控制装置：对控制对象产生控制作用的装置，也称为控制器、控制元件、调节器等（放大器）。

◎执行元件：直接改变被控变量的元件称为执行元件（空调器）。

◎测量元件：能够将一种物理量检测出来并转化成另一种容易处理和使用的物理量的装置称为传感器或测量元件（热敏电阻）。

◎比较元件：将测量元件和给定元件给出的被控量实际值与参据量进行比较并得到偏差的元件。

◎放大元件：放大偏差信号的元件。

◎校正元件（补偿元件）：结构参数便于调整的元件，用于改善系统性能。