前馈反馈复合控制课程设计剖析

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

评语：

成绩： 签名： 日期： 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。 目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热介质的流量作为调节手段,以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合,多采用加入负荷干扰的前馈控 制构成前馈反馈控制系统。 2 前馈—反馈复合控制系统的概述 2.1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）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。 2.2系统的组成

（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2-1所示： 图2-1简化原理图 2.3系统的特点

从前馈控制角度上讲，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型精度的要求，并能对未选作前馈信号的干扰产生校正作用。而从反馈控制角度上讲，由于前馈控制的存在，对于扰动做了及时的粗调作用，大大减小了反馈控制的负担。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控制系统设计与要求 3.1案例要求 生产实践中，当工艺介质比较稳定的时候，单闭环调整换热器的蒸汽流量，可以实现对工艺介质的出口温度的控制，但当工艺介质进料不稳定的时候，仅用单闭环蒸汽流量的调整对换热器出口温度进行控制却达不到令人满意的程度。因此需要加入前馈控制器。 当换热器的工艺介质稳定，对加热蒸汽进行单位阶跃激励，则工艺介质出口温度测试数据如下： t/s 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

T/ 0 5 80 130 250 260 280 290 297 300 300 300

当加热蒸汽流量不变，换热器工艺介发生阶跃变化时，则工艺介质出口温度测试数据如下： t/s 0 5 10 20 30 40 50 60 70

T/ 0 2.5 5 22.5 40 42.5 60 65 67.5 t/ 80 90 100 110 120 130 140 150 160 T/ 70 72.5 73.6 74.3 74.5 74.9 75 75 75 3.2拟合曲线的仿真及传递函数的确定 3.2.1 MATLAB的介绍 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作： 数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程。 MATLAB特点：此高级语言可用于技术计算，此开发环境可对代码、文件和数据进行管理，交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题，数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等，二维和三维图形函数可用于可视化数据，各种工具可用于构建自定义的图形用户界面，各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）。 3.2.2温度测试数据的拟合和仿真响应曲线

（1）当换热器的工艺介质稳定，对加热蒸汽进行单位阶跃激励时，求出口温度拟合曲线。程序如下： x=[0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100]; y=[0 5 80 130 250 260 280 290 297 300 300 300];//输入温度的数据 A=polyfit(x,y,3) //进行3阶多项式拟合，输出各项系数的值 z=polyval(A,x); //输出各个x处的多项值的值 k=20; //利用多项式求导，在x=0时的切线的斜率 x0=2;y0=0; //拟合曲线与x轴的交点 b=y0-k*x0; //求出b值 x1=0:100//定义未知数x1的范围 y1=k*x1+b; //切线函数 plot(x,y,'ro',x,z,'b-',x1,y1,'r-')；