【正文】 .............. 10 4 鍋爐 流量 水溫前饋反饋控制系統(tǒng)的實現(xiàn) ................................................................. 10 模擬量信號采集 .............................................................................................. 10 S7300PLC 程序的實現(xiàn) .................................................................................. 11 S7300PLC 硬件組態(tài) .......................................................................... 11 S7300PLC 主程序的實現(xiàn) .................................................................. 11 P、 I、 D 參數(shù)整定 ............................................................................... 18 結(jié)束語 .............................................................................................................................. 22 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 23 致謝 …………………………………………………………………………………… ...23 基于 SIEMENS S7300PLC 的鍋爐流量 溫度前饋 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 引言 在過程控制中溫度控制應(yīng)用相當(dāng)廣泛。往往在控制中還存在著多種擾動，例如流量、液位等。溫度控制作為過程控制中的一個很重要的方面，由于其特殊性一直以來都是一個控制難點。溫度控制具有很大的滯后性，在控制中難以得到理想的效果。再加上各種擾動，溫度控制已經(jīng)不能光靠簡單的 PID 控制達(dá)到目標(biāo)。在這種情況下我們往往就需要借助別的控制方式。 前饋控制做為一種特殊的控制規(guī)律就是在這種情況下發(fā)展起來的。前饋控制是在擾動影響到被控對象之前就將其通過補(bǔ)償消除掉。因此在這次設(shè)計中我們用前饋控制方式來克服流量的擾動使得溫度控制精度更加精確。前饋控制控制算法我們往往用 PLC 來實現(xiàn)。但是單純的前饋往往不能很好的補(bǔ)償 干擾，主要是單純前饋不存在被控變量的反饋，即對于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。因此，為使我們的控制系統(tǒng)能達(dá)到控制要求，可以將前饋與反饋結(jié)合起來使用，構(gòu)成所謂前饋反饋控制系統(tǒng)。 PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程 。 本次設(shè)計綜合和運(yùn)用計算機(jī)、 PLC、溫度傳感器、流量傳感器等對工業(yè)對象的夾套鍋爐、管道進(jìn)行控制，運(yùn)用計算機(jī) 編程、 PLC 編程、控制算法設(shè)計、過程控制、工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)、電氣線路設(shè)計等知識和技術(shù)實現(xiàn)前饋反饋控制。首先由變頻器、泵、壓力傳感器組成恒壓供水系統(tǒng)，再由兩個調(diào)節(jié)閥控制兩個支路分別給鍋爐的夾套和內(nèi)膽供水，由 PLC、加熱絲、溫度傳感器組成鍋爐內(nèi)膽水溫反饋加熱系統(tǒng)，流量傳感器、 PLC、加熱絲組成前饋補(bǔ)償系統(tǒng)，從而組成前饋反饋控制系統(tǒng)。 2 任務(wù)分析及控制方案的選擇 前饋控制系統(tǒng) 我們把按照干擾量的變化來補(bǔ)償其對被控變量的影響，從而達(dá)到被控量完全不受干擾影響的控制方式稱為前饋控制，簡稱 FFC（ Feed Forward Control）。很顯然，這種控制是一種開環(huán)控制。其系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。 基于 SIEMENS S7300PLC 的鍋爐流量 溫度前饋 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計 2 圖 1 前饋控制系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)傳遞函數(shù)如公式（ 1） )()()()()(1 sGsGsGsF s PCffPD ???? （ 1） 式中 Gpd(s)、 Gpc(s)分別為對象干擾通道與控制通道的傳遞函數(shù)。 系統(tǒng)對干擾 F 實現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)臈l件是： 當(dāng) F(s)≠ 0,而 ≡ 0 由上兩式可求得前饋控制器的傳遞函數(shù)為公式（ 2） )()()( sG sGsGPCPDff ?? （ 2） 由上式可以看出前饋控制器的控制規(guī)律為對象的干擾通道與控制通道的特性比，式中的負(fù)號表示控制作用與干擾作用的方向相反。 單純的前饋控制系統(tǒng)根據(jù)對干擾補(bǔ)償?shù)奶攸c，可分為動態(tài)前饋控制及靜態(tài)前饋控制。 （ 1）動態(tài)前饋控制 當(dāng)前饋控制作用力求在任何時刻均實現(xiàn)對干擾的補(bǔ)償，通過合適的前饋控制規(guī)律的選擇，使得干擾經(jīng)過前饋控制器至被控量這一通道的動態(tài)特性與對象干擾通道的動態(tài)特性完全一致，并使它們的符號相反，便可達(dá)到控制作用完 全補(bǔ)償干擾對被控變量的影響。此時前饋控制器的 Gff(s)=－ GPD(s)／ GPC(s)。 （ 2）靜態(tài)前饋控制 在有些實際生產(chǎn)過程中，并沒有動態(tài)前饋控制那樣高的補(bǔ)償要求，而只需要在穩(wěn)定工況下實現(xiàn)對干擾量的補(bǔ)償。此時，前饋控制器的輸出量與輸入兩呈一定比例關(guān)系，而與時間因子 t 無關(guān)，前饋控制就成為靜態(tài)前饋控制。則此時的 Gff 為一靜態(tài)系數(shù) Kf。 以下列出前饋控制與反饋控制的一些不同： （ 1）前饋控制克服干擾比反饋控制及時。 基于 SIEMENS S7300PLC 的鍋爐流量 溫度前饋 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計 3 前饋控制時按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。 （ 2）前饋控制屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)。 前饋控制系統(tǒng)是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，這一點從某種意義上來說是前饋的不足之處。反饋控制由于是閉環(huán)系統(tǒng)，控制結(jié)果能夠通過反饋獲得檢驗，而前饋控制的效果并不通過反饋加以檢驗，因此前饋控制對被控對象的特性掌握必須比反饋控制清楚，才能得到一個較合適的前饋控制作用。 （ 3）前饋控制使用的是對象特性而定的“專用”控制器。 一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用類型的 PID 控制器，而前饋控制器是專用的控制器，對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。 （ 4）一種前饋控制作用 只能克服一種干擾。 由于前饋控制作用是按干擾進(jìn)行工作的，而且整個系統(tǒng)是開環(huán)的，因此根據(jù)一種干擾設(shè)置的前饋控制只能克服這一干擾，而對于其他干擾，由于這個前饋控制器無法感受到，也就無能為力了。而反饋控制只能用一個控制回路就可克服多個干擾，所以說這一點也是前饋控制系統(tǒng)的一個弱點。 前饋反饋控制系統(tǒng) 單純的前饋往往不能很好的補(bǔ)償干擾，存在著不少局限性，主要是單純前饋不存在被控變量的反饋，即對于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。這樣在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統(tǒng)無法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正。其次， 由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補(bǔ)償他們對被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，這就增加了投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。因此，一個固定的前饋模型難以獲得良好的控制品質(zhì)。為了解決這一局限性，使得我們的控制系統(tǒng)能達(dá)到控制要求，可以將前饋與反饋結(jié)合起來使用，構(gòu)成所謂前饋反饋控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點，將反饋控制不易克服的主要干擾進(jìn)行反饋控制，這樣，既發(fā)揮了前饋校正及時的特點，又保持了反饋控制能克服多種干擾并對被控變量始終給與檢驗的優(yōu)點，因而這種控制方式是過程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。 綜上所述，前饋反 饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于： （ 1）由于增加了反饋控制回路，大大簡化了原有前饋控制系統(tǒng)。只需對主要的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，其他干擾可由反饋控制予以校正。 （ 2）反饋回路的存在，降低了前饋控制模型的精度要求，為工程上實現(xiàn)比較簡單的通用型模型創(chuàng)造了條件。 （ 3）負(fù)荷或工況變化時，模型特性也要變化，可由反饋控制加以補(bǔ)償，因此具有一定的自適應(yīng)能力。 基于 SIEMENS S7300PLC 的鍋爐流量 溫度前饋 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計 4 鍋爐流量 水溫前饋反饋控制系統(tǒng)分析及控制方案選擇 本次設(shè)計針對的是鍋爐內(nèi)膽水溫的控制。在設(shè)計中我們需要在內(nèi)膽內(nèi)注滿水，水的溫度做為我們的控制對象。鍋爐外膽的循環(huán) 水做為冷卻水，并且使冷卻水流量做為一個主要擾動信號，用前饋控制器來補(bǔ)償流量擾動對對象的影響。在以往的實驗中我們發(fā)現(xiàn)溫度對象的控制滯后比較大。并且由于實驗條件有限外膽冷卻水也不能保證溫度恒定不變，所以我們在設(shè)計系統(tǒng)時也可以使內(nèi)膽水流動保持一個動態(tài)平衡。這樣使得對象的熱慣性減小并使控制的滯后更小。 很明顯，在這個系統(tǒng)中外膽流量的變化將做為系統(tǒng)的主要擾動。我們默認(rèn)為它是可測而不可控的，因此為了在流量擾動影響到內(nèi)膽溫度之前就將其消除就可以采取前饋補(bǔ)償。而整個溫度控制我們直接可以做成一個溫度單回路系統(tǒng)。 前饋－反饋控 制環(huán)節(jié)可由電磁流量傳感器、計算機(jī)、接觸器、加熱器、組成前饋補(bǔ)償系統(tǒng)，計算機(jī)、接觸器、加熱器、溫度傳感器組成反饋加熱系統(tǒng)，即主要由計算機(jī)、接觸器、加熱器、電磁流量傳感器、溫度傳感器組成前饋反饋控制系統(tǒng)。圖 2 為前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖。 圖 2 前饋反饋控制框圖 其中前饋補(bǔ)償和 PID 控制