【正文】 對干擾進(jìn)行補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)不同，單純的前饋控制系統(tǒng)又可以分為靜態(tài)前饋控制和動(dòng)態(tài)前饋控制兩種。 靜態(tài)前饋控制是指在足夠穩(wěn)定的工況下對擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，此時(shí)前饋控制器的輸出和輸入是一比例關(guān)系，而跟時(shí)間 t沒有關(guān)系；也就是說此時(shí)的前饋控制器傳遞函數(shù) Gff(s)是一個(gè)靜態(tài)的系數(shù) Kf，故稱為靜態(tài)前饋控制。 Gff(S) GPC(S) GPD(S) Y R 基于 s7300 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（組態(tài)） 3 與靜態(tài)不同，動(dòng)態(tài)前饋控制是指在任意的時(shí)刻乃至不同的狀況下前饋控制器都能對擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，因此它的傳遞函數(shù)完全符合公 式 ；干擾經(jīng)前饋控制器通道產(chǎn)生的輸出與其經(jīng)干擾通道產(chǎn)生的輸出，二者大小特性一致但方向相反，相互抵消；這樣的就是動(dòng)態(tài)前饋控制方式。 下面是一些前饋控制區(qū)別于其他控制方式的特點(diǎn)： 克服干擾的響應(yīng)速度快；前饋控制器在擾動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)刻馬上就可以運(yùn)算出補(bǔ)償值，它的響應(yīng)速度比通常比反饋控制要快。 面向?qū)Ｒ粚ο笫褂?；因?yàn)榍梆伩刂破魇菫榱搜a(bǔ)償擾動(dòng)通道輸出而設(shè)計(jì)的，一種前饋控制器只針對一種擾動(dòng)，如果要針對多個(gè)擾動(dòng)就需要設(shè)計(jì)多個(gè)不同前饋控制器來實(shí)現(xiàn)。 是開環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)其系統(tǒng)框圖可以顯然看出，在克服擾動(dòng)后前饋控 制系統(tǒng)并沒有加入對輸出結(jié)果的檢驗(yàn)和校正環(huán)節(jié)，屬于“開環(huán)”。 前饋 反饋控制系統(tǒng) 由于單純的前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，無法對輸出結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和校正，但是我們的控制系統(tǒng)中往往不單只前饋控制器克服的那些擾動(dòng)還有一些次要擾動(dòng)，如果對每一個(gè)擾動(dòng)都設(shè)計(jì)對應(yīng)的前饋控制器往往會(huì)使得系統(tǒng)過于繁瑣且經(jīng)濟(jì)成本太高，因此為了既經(jīng)濟(jì)又有較好的控制效果，保證輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性我們引入了反饋控制系統(tǒng)組成前饋反饋控制系統(tǒng)。反饋系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，它 引入 了 被 控 變量的變化作為輸入量 的參考依據(jù)，系統(tǒng)因此獲得了一定的自適應(yīng)能力?？偟?來說，前饋 反饋控制系統(tǒng)綜合了前饋和反饋的優(yōu)點(diǎn)， 系統(tǒng)中既有 能夠?qū)?主要擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆伩刂?，又存?反饋控制克服其它的擾動(dòng)信號(hào)使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，可以提高系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度。 一般前饋 反饋控制系統(tǒng)的原理圖 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 由前饋 反饋控制的概念及原理圖可以知道 系統(tǒng)中需要測量的信號(hào) 主要由被控量跟擾動(dòng)信號(hào) 。因此，前饋 反饋控制系統(tǒng)一般 由以下環(huán)節(jié)構(gòu)成： 擾動(dòng)信號(hào)測量變送器：對擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成 標(biāo)準(zhǔn) 的電信號(hào)； 前饋控制器：對擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償； 被 控 量測量變送器：對被 控 量進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成 標(biāo)準(zhǔn) 的電信號(hào) 。反饋 控制 調(diào)節(jié)器：對被 控 量進(jìn)行調(diào)節(jié)； 執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) ：直接作用于擾動(dòng)和被控量的設(shè)備； 擾動(dòng)通道對象：擾動(dòng)信號(hào)通過該通道對被調(diào)量產(chǎn)生影響； 控制通道對象：調(diào)節(jié)量通過該通道對被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié) 。 顯然的是，前饋不管 加在 了哪個(gè)位置，都 構(gòu)成 不了 閉合回路， 系統(tǒng)的特征式維持 不變， 也就是說前饋并沒有影響到 系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ；引入反饋控制后，前饋控制中的完全補(bǔ)償條件也沒有改變；我們可以在整定參數(shù)的時(shí)候利用到這兩個(gè)特點(diǎn)。 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 圖 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖 就是鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反 饋控制系統(tǒng)的實(shí)物結(jié)構(gòu)圖，既然要分析鍋爐內(nèi)膽鍋爐內(nèi)膽的水溫，我們就要從水著手，循序漸進(jìn)。鍋爐內(nèi)膽和夾套的水都來自磁力泵的管道，夾套的水一直在流動(dòng)起到帶走一部分熱量的作用因此又稱為冷卻水；鍋爐內(nèi)膽的水可以通過加熱管進(jìn)行加熱，它的溫度就是我們要控制的量。由圖 2可以看出該溫度主要由兩個(gè)因素共同決定一個(gè)是水的流量，流量加大，溫度降低；另一個(gè)是加熱管的基于 s7300 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（組態(tài)） 5 功率，功率加大，溫度升高。流量擾動(dòng)我們設(shè)其為可測不可控的，加熱管的功率可以通過三相 SCR 調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)大小。與一般前饋 反饋 控制系統(tǒng) 不同，基于 S7300 的鍋爐內(nèi)膽水溫的前 饋 反饋控制系統(tǒng)的前饋調(diào)節(jié)器跟反饋調(diào)節(jié)器并不是分開的，而是都由S7300PLC 來實(shí)現(xiàn)的，因此我們可以得到鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖： 圖 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控制系統(tǒng)框圖 由鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖可以看出本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)主要有： 連接系統(tǒng)硬件設(shè)備； 編寫 PLC 前饋與 PID 模塊程序； 繪制組態(tài)界面并建立連接； 整定各項(xiàng)參數(shù)得出結(jié)論。 前饋 PLC + + 溫度 流量擾動(dòng) 給定值 流量測量變送器 水泵支路管道 PID 調(diào)壓模塊 電加熱管 鍋爐內(nèi)膽 溫度測量變送器 + 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 3 控制系統(tǒng)硬件 控制設(shè)備 PLC 基本介紹 可編程控制器最早起源于 美國數(shù) 字設(shè)備公司（ DEC）， 它于 1969 研制出的世界上第一臺(tái) 成功應(yīng)用于美國通用汽車公司（ GM）生產(chǎn)線 的可編程控制器 。但當(dāng)時(shí) 該控制器 只具備進(jìn)行邏輯運(yùn)算的能力 ，所以稱它 為可編程邏輯控制器，簡稱 為 PLC（ Programmable Logic Controller）。 70 年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展， PLC 從簡單的 開關(guān)量的邏輯控制擴(kuò)展到 了 數(shù)字控制及生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，真正成為電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制裝置， 它被稱作 可編程控制器，簡稱 PC（ Programmable Controller）。但 是由于簡稱 PC容易與個(gè)人 計(jì)算機(jī)（ Personal Computer） 混淆， 所以 人們習(xí)慣性仍用 PLC作為可編程控制器的簡稱。 PLC 是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用： 邏輯運(yùn)算； 弱電控制強(qiáng)電，所以 PLC 在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 PLC 作為 集自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已 經(jīng) 躍居 至 工業(yè)自動(dòng)化三大支柱（ PLC、 ROBOT、 CAD/CAM）的首位。 1985 年國際電工委員會(huì)（ IEC）對 PLC 的定義如下： 可編程控制器是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工 業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器，它采用了可以編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。 可編程控制器具有 系統(tǒng)構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易； 編程簡單（采用簡單明了的梯形圖、邏輯圖和語句表等編程語言）、使用方便，； 對工作環(huán)境要求不高 ，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn) PLC 由于高可靠性而 運(yùn)用廣泛，生產(chǎn) PLC 的廠家也有很多，其中不乏西門子（ SIMATIC） ，三菱 （ Mitsubishi Electric） ， 羅克韋爾 （ AB） 等大公司，它們的產(chǎn)品規(guī)格性能，適用場合有大同小異的也有截然不同的，以西門子公司為例就有 LOGO，200,300,400,1200 等多個(gè)系列。 基于 s7300 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（組態(tài)） 7 圖 西門子 S7300系列模塊圖 本設(shè)計(jì)使用的正是德國西門子公司的 S7300 系列 PLC， S7300 PLC 是模擬式中小型 PLC， 主要由機(jī)體框架、電源模塊（ PS）、 CPU 模塊、信號(hào)模塊（ SM）、功能模塊（ FM）、接口模塊（ IM）、通信處理器（ CP）和編程設(shè)備組成。 各個(gè) 模塊都是獨(dú)立的，每個(gè)模塊都 具備 一個(gè)總線連接器， 用以 插在各 個(gè) 模塊的背后 ， 可 以通過 U形總線 把它們 緊密固定在西門子 S7300 的標(biāo)準(zhǔn)軌道上 。一條導(dǎo)軌共有 11個(gè)槽號(hào)： 1 號(hào)槽至 11 號(hào)槽， S7編程軟件組態(tài)主架導(dǎo)軌硬件時(shí)，電源 模塊 ， CPU 模塊 和 接口模塊 分別 置于 導(dǎo)軌的 1 號(hào)槽、 2號(hào)槽和 3 號(hào)槽上 ， 其中 4 號(hào)槽至 11 號(hào)槽可以隨意放置除電源 模塊 、 CPU 模塊 和 接口模塊 以外的其他模塊。 S7300 PLC CPU 模塊說明 PLC 的 CPU 模塊是 該前饋 反饋 控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé) 整個(gè) 系統(tǒng)的中央控制，程序的存儲(chǔ)與 執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)通信功能， 并 為 U形總線提供 5V的 電源。 S7300 PLC 的 CPU 有 4種操作模式 分別是 ： STARTUP（啟動(dòng)）、 RUN（運(yùn)行） 、 HOLD（保持） 和 STOP（停機(jī)） 。 目前 S7300 的 CPU 模塊大致可以分為以下幾類： 緊湊 型 CPU： CPU 312C、 CPU 313C、 CPU 314C2DP等 。 標(biāo)準(zhǔn)型 CPU： CPU 31 CPU 31 CPU 31 CPU 315 等 。 革新的 標(biāo)準(zhǔn) 型 CPU： CPU 31 CPU 31 CPU 3152DP。 戶外型 CPU： CPU 312 IFM、 CPU 314 IFM 等 。 大容量高端型 CPU： CPU 3172DP、 CPU 3182DP。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 主 /從接口安全型 CPU： CPU 315F2DP。 S7300 PLC 信號(hào)模塊（ SM）說明 信號(hào)模塊（ SM）又叫輸入 /輸出模塊（ I/O模塊），是 CPU 模塊與現(xiàn)場輸入輸出原件和設(shè)備連接的橋梁，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場輸入 /輸出設(shè)備來選擇各種用途的 I/O 模塊。按輸入輸出量的不同信號(hào)模塊又可以分為數(shù)字量模塊和模擬量模塊兩類。 S7300 PLC 常用的數(shù)字量模塊有數(shù)字量輸入模塊 SM32數(shù)字量輸出模塊 SM322 和數(shù)字量輸入 /輸出模塊 SM323： 數(shù)字量輸入模塊將現(xiàn)場過程送來的數(shù)字量 電平轉(zhuǎn)換成 PLC 的內(nèi)部信號(hào)電平， SM321有四種型號(hào)可選：直流 16點(diǎn)輸入、直流 32 點(diǎn)輸入、交流 16 點(diǎn)輸入、交流 8點(diǎn)輸入。 數(shù)字量輸出模塊與數(shù)字量輸入模塊相反則是將 PLC 內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場過程所要求的控制信號(hào)電平。按輸出方式不同 SM322 又可以分為晶體管輸出（直流輸出模塊）、可控硅輸出（交流輸出模塊）、繼電器觸點(diǎn)輸出（交直流兩用輸出模塊）。從響應(yīng)速度來看，晶體管響應(yīng)最快，繼電器響應(yīng)最慢；從安全隔離效果及應(yīng)用靈活性來看，則是繼電器觸點(diǎn)輸出型最佳。 數(shù)字量輸入 /輸出模塊 SM323 有兩種類型：一種帶 8 個(gè)共地輸入 端和 8 個(gè)共地輸出端，另一種帶 16個(gè)共地輸入端和 16個(gè)共地輸出端，二者特性相同。 I/O 額定負(fù)載電壓為 24V DC,輸入信號(hào)“ 1”高電平為 11～ 30V，信號(hào)“ 0”低電平為 3～ +5V， I/O 通過光耦與背板總線隔離，在額定輸入電壓下，輸入延遲為 ～ ，此外輸出還具有電子短路保護(hù)功能。 S7300 PLC 常用的模擬量模塊有模擬量輸入模塊 SM33模擬量輸出模塊 SM33模擬量輸入 /輸出模塊 SM334： 模擬量輸入（簡稱 AI）模塊 SM331 有三種規(guī)格型號(hào)，分別是 8AI 12位模塊、 2AI 12 位模塊 以及 8AI 16 位模塊。 SM331 主要由 A/D 轉(zhuǎn)換部件、光電隔離部件、模擬切換開關(guān)、恒流源、邏輯電路和補(bǔ)償電路等組成。 模擬量輸出（簡稱 AO）模塊 SM332 有 3325HB0 3325HD0 3325HF00、 3327ND02四種分別支持 4（同步模式）點(diǎn)的模擬量輸出。 模擬量輸入 /輸出模塊 SM334 則有 3340CE010AA0、 3340KE000AB0 兩種，都是具有 4 模擬量輸入， 2 模擬量輸出；但是后者為電阻測量式（ Pt100）。 基于 s7300 鍋爐內(nèi)膽水溫的前饋 反饋控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（組態(tài)） 9 溫度傳感器、變送 器 溫度傳感器（ temperature transducer） 是 可以檢測溫度并將其轉(zhuǎn)換為可用輸出信號(hào) 的儀器 。溫度傳感器是溫度測量儀器的核心 組成部分 ，品種繁多。 按照 測量 方式可分為接觸式和非接觸式兩種類型；根據(jù) 傳感器的材料和電子元器件的特性 也可以劃分成兩種類型即 熱電阻 式 和熱電偶 式 。 Pt100 鉑熱電阻溫度 傳感器 在 200～ +420℃ 的測量精度非常高甚至是測溫的基準(zhǔn)元件，其抗振性耐溫耐壓特性也很出色，因此 本設(shè)計(jì) 裝置中采用了 Pt100 鉑熱電阻溫度 傳感器來檢測鍋爐 內(nèi)膽的 水溫 。 溫度變送器則是指將測溫元件通常是傳感器測量出 來的溫度信號(hào)經(jīng)過 穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、 V/I 轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后，轉(zhuǎn)換成與溫度成線性關(guān)系的 4～ 20mA 電流信號(hào) 的器件，在本設(shè)計(jì)中溫度變送器將 Pt100 鉑熱電阻溫度 傳感器 測得的溫度電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào) 輸出 給控制器使用。 流量計(jì) 流量計(jì)是用來測量流體流量的儀表，本設(shè)計(jì)裝置的流量計(jì)有電磁流量計(jì)和渦輪流量計(jì)兩種：電磁流量計(jì)用以測量 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制的動(dòng)力支路，它的優(yōu)點(diǎn)是零點(diǎn)比較穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不受被測介質(zhì)壓力、溫度、粘度、密度等物理參數(shù)變化的影響，反應(yīng)靈敏，輸出信號(hào)與流量成線性關(guān) 系，量程比 較 寬。 電磁流量計(jì)的 工 作電壓為 220V，可以測量的流量范圍是 0～ ，測量 精度 是 %，測量