前馈反馈复合控制课程设计.docx

1、前馈反馈复合控制课程设计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：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

2、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

3、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

4、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）

5、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

6、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/s05102030405060708090100T/0580130250260280290297300300300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/s0510203040506070T/02.5522.54042.

7、5606567.5t/8090100110120130140150160T/7072.573.674.374.574.97575753.2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

8、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

9、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=po

10、lyfit(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(0 100 0 300)；grid on得到 A =0.0005 -0.1356 11.5854 -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=2.5，k=300,T=17，所以

11、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=0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160;y=0 2.5 5 22.5 40 42.5 60 65 67.5 70 72.5 73.6 74.3 74.5 74.9 75 75 75;A=polyfit(x,y,3)z=polyval(A,x);k=3.5;x0=3.6;y0=0;b=y0-k*x0;x1=0:100y1=k*x1+b;plot(x,

12、y,ro,x,z,b-,x1,y1,g-)；axis(0 160 0 75)；grid on 得到 A =0.0000 -0.0133 1.8081 -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=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

13、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P2Kp0PI2.2Kp0.85Tk0PID1.7Kp0.50Tk0.125Tk表3-1 连续系统临界比例度法整定控制器参数图3-3 PID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

14、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3-5 P控制的响应曲线其中Kp=0.0215，1/Ki=0,Kd=0图3-6 PI控制的响应曲线其中Kp=0.0186,1/Ki=0.1176,Kd=0图3-7 PID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