前馈反馈复合控制课程设计要点.docx
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前馈反馈复合控制课程设计要点
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
3.2.1MATLAB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
4.1proteus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
3.2.1MATLAB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MicrosoftExcel）。
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=[05102030405060708090100];
y=[0580130250260280290297300300300];//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-'）；
axis（[01000300]）；
gridon
得到A=0.0005-0.135611.5854-23.7494，曲线如图3-1所示：
图3-1拟合曲线
从图中得出：
延迟时间τ=2.5，k=300,T=17，所以传递函数为：
G（s）=exp（-2.5*s）*（300/（17s+1））（3-1）
（2）当加热蒸汽流量不变，换热器工艺介质发生阶跃变化时，求出口温度拟合曲线。
程序如下：
x=[05102030405060708090100110120130140150160];
y=[02.5522.54042.5606567.57072.573.674.374.574.9757575];
A=polyfit（x,y,3）
z=polyval（A,x）;
k=3.5;
x0=3.6;y0=0;
b=y0-k*x0;
x1=0:
100
y1=k*x1+b;
plot（x,y,'ro',x,z,'b-',x1,y1,'g-'）；
axis（[0160075]）；
gridon
得到A=0.0000-0.01331.8081-5.7583，曲线如图3-2所示：
图3-2拟合曲线
从图中得出：
延迟时间τ=3.5，k=75,T=21;
所以传递函数为：
G（s）=exp（-3.5*s）*（75/（21s+1））（3-2）
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
临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合。
在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。
此时的比例度称为临界比例度
，相邻两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期
。
然后查找参数整定表计算得到PID的整定参数。
通过MATLAB仿真得到系统的响应效果，并微调参数获得理想的控制效果。
连续系统临界比例度整定方法的控制器参考参数表如表3-1所示。
控制器类型
比例度
积分时间常数Ti
微分时间
P
2Kp
0
PI
2.2Kp
0.85Tk
0
PID
1.7Kp
0.50Tk
0.125Tk
表3-1连续系统临界比例度法整定控制器参数
图3-3PID控制器的参数整定方框图
1.画出系统的simulink模型如图3-3所示；
2.断开系统微分器的输出连线、积分器的输出连线，Kp值从小到大进行试验，观察示波器的输出，直到输出等幅振荡曲线为止，记下此时的比例度
，临界振荡周期Tk。
3.根据表1选则Kp，对系统进行P控制整定，记录Kp并给出单位阶跃响应曲线；
4.根据表1选择Kp，Ti，对系统进行PI控制整定，记录Kp，Ti，绘制单位阶跃响应曲线；
5.根据表1选择Kp，Ti，
对系统进行PID控制整定，记录Kp，Ti，
并绘制单位阶跃响应曲线；
6.对P，PI，PID控制的阶跃响应曲线进行比较，给出分析结果。
调整Kp得到等幅振荡曲线，如图3-4所示，进而得到比例度
，临界振荡周期Tk，查表1计算得到P、PI、PID的控制参数，其仿真结果分别如图3-5、3-6、3-7所示：
图3-4等幅振荡响应曲线
其中Kp=0.0421，Tk=10
图3-5P控制的响应曲线
其中Kp=0.0215，1/Ki=0,Kd=0
图3-6PI控制的响应曲线
其中Kp=0.0186,1/Ki=0.1176,Kd=0
图3-7PID控制的响应曲线
其中Kp=0.0248,1/Ki=0.2,Kd=1.25
从上述图中可以看出，P控制可以加快系统的响应速度，但没办法克服系统的静差。
PI控制由于引入了积分，有效地克服了系统的静差。
PID控制由于微分的作用，加快了系统的响应速度。
验证了理论课上的结论。
通过比较发现P控制器的超调较PI，PID控制器的都小，但是P控制器的余差较大，本次选取PI控制器即可。
3.3.2干扰对被控变量传递函数的PID参数整定
使用的方法、方框图、步骤同操纵变量对被控变量传递函数的PID参数整定。
同理，调整Kp得到等幅振荡曲线，如图3-8所示，进而得到比例度
，临界振荡周期Tk，查表1计算得到P、PI、PID的控制参数，其仿真结果分别如图3-9、3-10、3-11所示：
图3-8等幅振荡响应曲线
其中Kp=0.143，Tk=12.5
图3-9P控制的响应曲线
其中Kp=0.0715,1/Ki=0,1/Kd=0
图3-10PI控制的响应曲线
其中Kp=0.065,1/Ki=0.094,Kd=0
图3-11PID控制的响应曲线
其中Kp=0.084,1/Ki=0.16,Kd=1.563
通过比较发现P控制器的超调较PI，PID控制器的都小，但是P控制器的余差较大，本次实验选取PI控制器即可。
3.4前馈反馈系统仿真与整定
由之前得到的传递函数式（3-1）和式（3-2）分别是操纵变量对被控变量的传递函数和干扰对被控变量的传递函数，由此可求得前馈控制器的传递函数。
假设物料流量
是干扰，则可组成图3-12所示的前馈控制方案，方案中选择加热蒸汽流量
作为操纵变量。
图中
是物料出口温度的设定值。
前馈控制的方框图如图3-13所示，这里假设测量变送环节以及控制阀的传递函数为1。
图3-12前馈控制方案图
图3-13前馈控制的方框图
（3-3）
系统传递函数可表示为
（3-4）
式中，
是干扰
对被控变量
的传递函数；
是操纵变量
对被控变量
的传递函数；
是前馈控制器的传递函数。
为使系统对扰动
实现全补偿，提出的条件是当
时，要求
。
并代入式（3-3）中可得
工程上将前馈和反馈结合起来使用，构成前馈-反馈控制系统。
这样既发挥了前馈作用的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动以及对被控变量进行检测的优点。
3.4.1静态前馈反馈的仿真
（3-5）
令式（3-4）中的s为0，就可以得到静态前馈控制算式
式中
和
分别为干扰通道和控制通道的静态增益，由已知的传递函数可以得知这里的
和
分别为75和300，所以可以根据以上公式计算得知
。
使用MATLAB进行方框图绘制并仿真，方框图如图3-14所示：
图3-14静态态前馈反馈方框图
其pid参数为P=0.0095，I=0.00045，D=0仿真结果如图3-15所示
图3-15静态态前馈反馈仿真图
3.4.2动态前馈反馈的仿真
静态前馈系统的结构简单，容易实现，它可以保证在稳态时消除扰动的影响，但在动态过程中偏差依然存在。
当控制通道和干扰通道之间的动态特性差异很大时必须考虑动态前馈补偿。
动态前馈的根据是绝对不变性原理。
通过选择合适的前馈控制规律，使干扰经过前馈控制器之后到达被控变量这一通道时的动态特性与对象干扰通道的动态特性完全一样，但是使它们的符号相反，这样就可以使控制作用补偿干扰对被控变量的影响。
（3-6）
根据式（3-4）得出前馈控制器传递函数为：
G（s）=exp（-1*s）（（-17s+1）/（82s+1））
利用MATLAB绘制方框图并进行仿真，方框图如图3-16所示：
图3-16动态前馈反馈方框图
其中PID控制器参数为P=0.013，I=0.0005，D=0。
其仿真如图3-17所示：
图3-17动态前馈反馈仿真图
4控制系统硬件电路设计
4.1proteus的介绍
Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。
Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。
此外，Proteus还提供图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。
Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。
Proteus的特点是：
1、实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
2、支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
3、提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
4、具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
4.2单片机芯片的选用
单片机处理模块使用80C51作为主处理芯片，并用80C51单片机来协调外围电路的工作。
其主要功能为给定值输入，电压值读取，电压值校正，对矩阵键盘的数据、A/D转换来的数据进行处理，处理后的数据送给显示器、D/A转换电路、报警电路、调节阀的指示灯。
单片机通过连接芯片锁存器74ls373，访问外接电路则是通过寻址方式来实现。
4.3单片机的最小系统设计
单片机的最小系统是在没有扩展情况下添加基本的晶振电路、复位电路和电源电路构成的。
在PROTEUS中，80C51的电源自动供给为+5V。
实际中需添加变压器等设备。
因为单片机其内部是无法实现复位的，所以需要外接复位电路。
单片机的复位置位均是为了把电路初始化到一个确定的已知状态。
一般来说，单片机复位电路的作用是把一个状态初始化到空状态。
单片机的复位电路是在原来单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。
当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。
复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。
时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟。
此外，单片机的时钟电路是单片机的动力源，时钟振荡产生了序列脉冲，这些脉冲驱动CPU等单元工作。
若外接晶振为12MHz，机器周期为1us。
将时钟电路接到80C51的XTAL1（19）和XTAL2（18）引脚上，将复位电路接到80C51的RST引脚（9）上，即构成单片机最小系统。
如图4-1示：
图4-180C51单片机最小系统
4.4单片机的A/D,D/A转换电路设计
单片机只能对数字量进行加工和处理，不能处理模拟量，而遇到有模拟量的地方，通常需要将模拟量转换成数字量。
需要把非电量的信号转换成连续的电信号。
这里选用ADC0808模块进行A/D转换。
A/D转换器的性能指标包括转换精度、转换时间、线性度和电源灵敏度。
当系统需要用到模拟输出时，就可以选择D/A转换器把数字信号转换成模拟信号。
D/A转换器的主要技术指标包括分辨率、线性度、转换精度、建立时间、温度系数、输入数字电平、电源抑制比和工作温度范围。
D/A转换器类型可以分为直接和间接转换器。
如果按照输入端结构来分类，可以分为两类，一类是输入端带有数据存储器，这类可以直接和计算机的数据总线直接相连接，另一类是不带数据存储器的，要使用时就需要另外配数据存储器。
D/A转换器可以把数字信号实现成模拟信号，然而它的输出电量不能实现连续可调，因此这是准模拟量输出。
分辨率上可分为8位、10位、16位等。
这里采用DAC0832模块进行D/A转换。
DAC0832是8位的D/A转换芯片，有20个引脚。
其相关A/D、D/A转换接口电路如图4-2图4-3其中INO和IN1分别接传感器测量的模拟量，当温度发生改变时，输入的模拟电压量发生改变，经过转换形成响应的数字信号并将其显示在显示器上。
单片机处理的数据经D/A转换后变成模拟电压量然后再送给调节阀，控制调节阀的工作状态，从而实现对系统的控制。
因D/A转换之后传递的信号很小很难识别，所以需要连接放大电路，放大电路用于电压信号的放大。
图4-2A/D转换接口电路
图4-3D/A转换接口电路
4.5显示电路设计
此处使用的显示器是LCD1602。
LCD1602可以显示2排各16个字符。
设计中的数据端接单片机的P0口，因为P0口的输出是三态的，所以要外接上拉电阻。
A/D转换模块模拟量显示在显示器上。
显示器电路如图4-4示：
图4-4显示器电路
显示器单片机处理的数据经D/A转换后（DAC0832）送给调节阀，当有调节作用时灯亮。
电路如图4-5示：
图4-5节阀信号灯
4.6键盘电路设计
用键盘进行给定设定值。
键盘显示模块通过8255A扩充并行口，连接矩阵键盘。
高四位通过与非门与中断0连接。
采用定时扫描法，先判断是否有按键按下，然后再判断是哪个按键被按下读数据并将数据存入数组，并如此循环当按下确定键时，将数组数据送到显示器显示。
用定时器定时10ms，进行定时扫描。
设计键盘电路如图4-6示：
图4-6键盘电路
4.7自动/手动切换电路与报警电路电路设计
先设定报警电路的系数，当调节阀作用一定时间后（时间为设定值），还没达到预期效果时，报警电路会自行报警，提醒工作人员。
报警方式有闪光灯和声音警报。
当电路出现报警时，需先切换到手动工作状对系统态进行调节，若手动调节也不起作用，则进行紧急停车，对系统进行维修。
本次设计采用蜂鸣器报警。
蜂鸣器俗称喇叭，是广泛运用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多运用场合。
蜂鸣器与家用电气上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL点评基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，即此一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音,所以添加三极管来增加通过蜂鸣器的电流。
报警电路和切换电路如图4-7和4-8所示：
图4-7报警电路
图4-8切换电路
5控制系统软件设计
5.1软件规划
首先检测前馈和反馈通道的操纵变量和被控变量，并将测量值进行相应的处理后与设定值进行比较。
然后将比较值送至单片机进行计算。
然后由单片机发出信号驱动调节阀。
调节完毕后继续检测被控变量和操纵变量。
当调节时间超过一定时间，报警灯亮，并且报警喇叭响。
此时切换到人工调节，手动调节调节阀，如果当手动都不能起调节作用时，按下紧急停车按钮，控制系统立即停止工作，然后人工进行系统检查与维护。
5.2程序流程图
根据软件规划画出软件流程图5-1。
图5-1程序流程图
6总结
为期两个星期的课程设计结束了，它锻炼了我查阅资料，进行方案构思的的能力。
在设计过程中，我们按照指导老师的要求逐步完善设计方案。
对指导老师提出的问题进行了详细的修改。
较好地完成了设计任务。
但也暴露出了一些问题。
作为一名自动化专业的学生，我觉得做过程控制的课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，实际操作能力却相对较差，而做类似的课程设计为我们提供了良好的实践平台。
本次设计的重点在于对数学模型的认识，对控制器参数的选择，并应用临界比例度法整定参数，用matlab仿真验证了书上的方法，用SIMULINK软件仿真的
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