前馈控制系统
上海社保网-乳牙牙位
2023年2月17日发(作者：塑性形变)目录
课程设计任务书
一、前馈—反馈复合控制系统
1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念…………………………......3
1.2、概念的理解………………………………………………3
1.3、前馈—反馈系统的组成……………………………….....3—4
1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点……………………………..4
1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计………………4
二、控制系统的硬件设计
2.1、S7—300系统组成……………………………………....4
2.2、CPU315—2DP…………………………………………4
2.3、模式选择开关…………………………………..…….4—5
2.4、状态及故障显示…………………………….…………….5
三、控制系统的软件设计
3.1、硬件组态.......................................................................5
3.2、工程管理器的使用………………………………………...6
3.3、新建工程……………………………….……………6—9
3.4、组态监控画面…………………………………………….9
3.5、组态变量……………………………………………9—10
3.6、软件编程…………………………………………..10—15
3.7、实验结果分析……………………………………….15—17
四、控制系统的调试
五、实验总结
一、前馈—反馈复合控制系统
1.1、前馈—反馈复合控制系统的基本概念
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。
1.2、概念的理解：
（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。
1.3、前馈—反馈系统的组成
前馈—反馈复合控制系统主要由一下几个环节构成
（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所示
前馈—反馈复合控制系统的原理图（1）
为了方便分析，通常将前馈—反馈复合系统的原理图简化为下图
前馈控制系统的简化原理图（2）
1.4、前馈—反馈复合控制系统的特点
（1）系统综合了反馈、前馈控制系统的优点，弥补了他们的缺点，因而前
馈—反馈复合控制系统的到了广泛的应用
（2）引入前馈补偿没有影响到系统的稳定性：
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）引入反馈控制后，前馈完全补偿条件并没有改变。
1.5、前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的设计
前馈—反馈复合控制系统中前馈前馈控制器的传递函数是有完全补偿性原
理来求解的由图2可求得
要使扰动Z(s)得到完全补偿，即Z(s)变化时不对C(s)产生影响应有：
二、控制系统的硬件设计
2.1、S7—300系统组成
有中央处理器（CPU）、电源单元（PS）、信号模块（SM）、接口模块（IM）、功
能模块（FM）、通讯模块（CP）、特殊模板(SM374仿真器)
2.2、CPU315—2DP
CPU315-2DP：具有中到大容量程序存储器和PROFIBUSDP主/
接口，比较适用于大规模的I/O配置或建立分布式I/O系统。
2.3、模式选择开关
（1）RUN-P：可编程运行模式。在此模式下，CPU不仅可以执行用户程序，在
运行的同时，还可以通过编程设备（如装有STEP7的PG、装有STEP7的计算
机等）读
出、修改、监控用户程序。
（2）RUN：运行模式。在此模式下，CPU执行用户程序，还可以通过编程设备
读出、监控用户程序，但不能修改用户程序。
（3）STOP：停机模式。在此模式下，CPU不执行用户程序，但可以通过编程
设备（如装有STEP7的PG、装有STEP7的计算机等）从CPU中读出或修改用
户程序。在此位置可以拔出钥
匙。
（4）MRES：存储器复位模式。该位置不能保持，当开关在此位置释放时将自
动返回到STOP位置。将钥匙从STOP模式切换到MRES模式时，可复位存储器，
使CPU回到初始状态。
2.4状态及故障显示
SF（红色）：系统出错/故障指示灯。CPU硬件或软件错误时亮。
BATF（红色）：电池故障指示灯（只有CPU313和314配备）。当电池失效或未
装入时，指示灯亮。
DC5V（绿色）：＋5V电源指示灯。CPU和S7-300总线的5V电源正常时亮。
FRCE（黄色）：强制作业有效指示灯。至少有一个I/O被强制状态时亮。
RUN（绿色）：运行状态指示灯。CPU处于“RUN”状态时亮：LED在“Startup”
状态以2Hz频率闪烁；在“HOLD”状态以0.5Hz频率闪烁。
STOP（黄色）：停止状态指示灯。CPU处于“STOP”或“HOLD”或“Startup”
状态时亮；在存储器复位时LED以0.5Hz频率闪烁；在存储器置位时LED以2Hz
频率闪烁。
BUSDF（BF）（红色）：总线出错指示灯（只适用于带有DP接口的CPU）。出
错时亮。
SFDP：DP接口错误指示灯（只适用于带有DP接口的CPU）。当DP接口故障
时亮。
2.4、SM344模拟量输出模块
主要输出的4MA—20MA的电流信号转换为5530—27648的数字信号。
三、控制系统的软件设计
3.1、硬件组态
（1）建立应用工程的一般过程
通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：
第一步：创建新工程为工程创建一个目录用来存放与工程相关的文件。
第二步：定义硬件设备并添加工程变量添加工程中需要的硬件设备和工程中使用
的变量，包括内存变量和I/O变量。
第三步：制作图形画面并定义动画连接按照实际工程的要求绘制监控画面并使静
态画面随着过程控制对象产生动态效果。
第四步：编写命令语言通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。
第五步：进行运行系统的配置对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等
进行设置，是系统完成用于现场前的必备工作。
第六步：保存工程并运行完成以上步骤后，一个可以拿到现场运行的工程就制作
完成了。
3.2、工程管理器的使用
组态王工程管理器是用来建立新工程，对添加到工程管理器的工程做统一的管
理。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索组态
王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王
开发或运行环境等。
3.3、新建工程
打开组态王后单击此快捷键，弹出新建工程对话框建立组态王工程，点击工程管
理器上的“新建”，弹出“新建工程向导之一”如图
点击“下一步”弹出“新建工程向导之二”，画面如图
点击“浏览”，选择新建工程所要存放的路径如图
点击“打开”，选择路径完成，如图
点击“下一步”进入“新建工程向导之三”，如图所示，在“工程名称”处写
上要给工程起的名字。“工程描述”是对工程进详细说明（注释作用），我们的
工程名称是“流量液位前馈反馈控制系统”
点击“完成”会出现“是否将新建的工程设为组态王当前工程”的提示，如下图
选择“是”，生成下图所示：组态王的当前工程的意义是指直接进开发或运行
所指定的工程。
3.4、组态监控画面
1）测试要求的组态流程图界面（要求复显），如图所示
3.5、组态变量
3.6、软件编程
1）STEP_5.5的使用
STEP7软件后单机文件新建项目名称为流量液位前馈反馈如图所示
点击确定后右键流量液位前馈反馈后插入新对象SIMTTC300站点如图所示
打开SIMTTC300(1)进行硬件编程如图所示
2）模块
量程转换模块
FC201将5530—27648转化成0—100%如图
FC202将0—100%转化成5530—27648如图
前馈反馈的算法如图所示
1、FB41功能描述
使用SFB41/FB41"CONT_C"进行连续控制
引言
SFB/FB"CONT_C"(连续控制器)在SIMATICS7可编程逻辑控制器上使用，
通过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。在参数分配期间，可以通过激活或
取消激活PID控制器的子功能使控制器适应过程的需要。使用参数分配工具可
以轻松完成分配(菜单路径：开始>Simatic>Step7>分配PID控制参数)。开始>
Simatic>Step7>分配PID控制(英文)中提供了在线电子手册。
应用
可以使用该控制器作为PID固定设定值控制器或在多循环控制中作为层叠、
混料或比率控制器。该控制器的功能基于使用模拟信号的采样控制器的PID控
制算法，必要时可以通过加入脉冲发生器阶段进行扩展，为使用成比例执行机构
的两个或三个步骤控制器生成脉冲持续时间调制输出信号。
注意只有在以固定时间间隔调用块时，在控制块中计算的值才是正确的。为
此，应该在周期性中断OB(OB30至OB38)中调用控制块。在CYCLE参数中输
入采样时间。
描述
除了设定值和过程值分支中的功能，SFB/FB还通过持续操作变量输出和手
动影响操作值的选项实现了完整的PID控制器。
下文提供了对这些子功能的详细说明：
设定值分支
以浮点格式在SP_INT输入键入设定值。
过程变量分支
可以外设(I/O)或以浮点格式输入过程变量。CRP_IN功能根据以下公式将
PV_PER外设值转换为介于-100和+100%间的浮点格式值：
OutputofCPR_IN=PV-PER*100/27648
PV_NORM功能根据以下公式统一CRP_IN输出的格式：
PV_NORM的输出=(CPR_IN的输出)*PV_FAC+PV_OFF
PV_FAC的默认值为1，PV_OFF的默认值为0。
出错信号
设定值和过程变量间的差异就是出错信号。为消除由于操作变量量化导致的
小幅恒定振荡(例如，在使用PULSEGEN进行脉宽调制时)，将死区应用于出错
信号(DEADBAND)。如果DEADB_W=0，将关闭死区。
PID算法
PID算法用于定位计算。比例、积分(INT)和微分(DIF)操作以并联方式连接，
因而可以分别激活或取消激活。这使对P、PI、PD和PID控制器进行组态成为
可能。还可以对纯I和D控制器进行组态。
手动值
可以在手动和自动模式间进行切换。在手动模式下，使用手动选择的值更正
操作变量。积分器(INT)内部设置为LMN-LMN_P-DISV，微分单元(DIF)设置
为0并在内部进行匹配。这意味着切换到自动模式不会导致操作值发生任何突
变。
操作值
使用LMNLIMIT功能可以将操作值限制为所选择的值。输入变量超过限制
时，信号位会给予指示。
LMN_NORM功能根据以下公式统一LMNLIMIT输出的格式：
LMN=(LMNLIMIT的输出)*LMN_FAC+LMN_OFF
LMN_FAC的默认值为1，LMN_OFF的默认值为0。
也可以得到外设格式的操作值。CPR_OUT功能根据以下公式将浮点值LMN转
换为外设值：
LMN_PER=LMN*27648/100
前馈控制
可以在DISV输入前馈干扰变量。
初始化
SFB41"CONT_C"有一个在输入参数COM_RST=TRUE时自动运行的初始
化程序。
在初始化过程中，将把积分器内部设置为初始化值I_ITVAL。以周期性中断优先
级调用它时，它会从此值开始继续工作。
将所有其它输出设置为它们各自的默认值。
故障信息
不使用出错输出参数RET_VAL。
3.7、实验结果分析
当给定值为30时实验结果如图所示
当给出一个阶跃信号时输出如图所示
当给出一个正扰动时输出如图所示
六、控制系统的调试
1）PID参数的调节
1临界比例度法
这是目前使用较广的一种方法，具体作法如下：
先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调
节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程，
如图2所示。这时的比例度叫临界比例度δk，周期为临界振荡周期Tk。记下δ
k和Tk，然后按表1的经验公式来确定调节器的各参数值。
Tk
时间
数
参
调
被
图2临界振荡示意图
表1临界比例度法数据表
调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）
比例2δk
比例积分2.2δk0.85Tk
比例微分1.8δk0.1Tk
比例积分微分1.7δk0.5Tk0.125Tk
这种方法在下面两种情况下不宜采用：
1）、临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置，对于
工艺生产不利，举例来说，对于一个用燃料油（或瓦斯）加热的炉子，如δ很小，
接近双位调节，将一会儿熄火，一会儿烟囱浓烟直冲。
2）、工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到等幅振荡，将影响生产的
安全运行。
2衰减曲线法
临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，
一般又有两种方法。
（1）、4：1衰减曲线法
使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干
扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰
减比为止，如图3所示。记下此时的比例度δs。再按表2的经验公式来确定PID
数值。
时间
数
参
调
被
给定值
t
Ts
4
1
图34：1衰减调节过程曲线
表24：1衰减曲线法数据表
调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）
比例δs
比例积分1.2δs0.5Ts
比例积分微分0.8δs0.3Ts0.1Ts
（2）、10：1衰减曲线法
有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，
得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δ＇s和上升时间T＇s，再按表3的经
验公式来确定PID的数值。衰减曲线如图4所示。
时间
数
参
调
被
给定值
t
1
T′s
10
图410：1衰减曲线示意图
表310：1衰减曲线法数据表
调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）
比例δ＇s
比例积分1.2δ＇s２Ｔ＇Ｓ
比例积分微分0.8δ＇s１.２Ｔ＇ｓ０.４Ｔ＇ｓ
3经验试凑法
这是在生产实践中所总结出来的方法，目
前应用最为广泛，其步骤简述如下：（e）
1）、根据不同调节系统的特点，先把P、图5用衰减曲线法
现场整定
I、D各参数放在基本合适的数值上，这些数值
是由大量实践经验总结得来的（按4：1衰减），其范围大致如表4所示。但也有
特殊情况超出表列的范围，例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上，
有的流量系统的比例度可到200%左右等等。
表4各调节系统PID参数经验数据表
调节系
统
比例度
δ（%）
积分时
间Ti
（分）
微分时间
Td（分）
说明
流量40-1000.1-1
对象时间常数小，并有杂散扰动，
δ应大，Ti较短，不必用微分。
压力30-700.4-3
对象滞后一般不大，δ略小，Ti略
大，不用微分。
液位20-801-5
δ小，Ti较大，要求不高时可不用
积分，不用微分。
温度20-603-100.5-3
对象容量滞后较大。δ小，Ti大，
加微分作用。
五、实验总结
历次本次实验我学会了对西门子PLC它的产生、定义及分类、功能及特点、
结构及工作过程等有了初步的了解。对于一个S7—300的组成有哪些，和它的各
个模块的作用是什么都有所掌握，对于CUP315的模拟选择开关。如：RUN-P、
RUN、STOP、MRES的应用。还有对于CPU的故障状态显示的颜色都表示什么
故障也有所掌握。例如：SF（红色）：系统出错/故障指示灯。CPU硬件或软件错
误时亮。BATF（红色）：电池故障指示灯（只有CPU313和314配备）。当电池
失效或未装入时，指示灯亮。DC5V（绿色）：＋5V电源指示灯。CPU和S7-300
总线的5V电源正常时亮。FRCE（黄色）：强制作业有效指示灯。至少有一个I/O
被强制状态时亮等。而且对前馈反馈通路的组成、功能及作用等有了初步的认识。
对组态王的应用从怎么去新建一个任务到画出模拟图，在到硬件组态有了初步的
学习。还对STEP7软件的应用及编程得到进一步的掌握，在软件编程中，我知
道了FC201、FC202的作用及FB41的作用等。还学习PID的几种调节方法，在
什么时候适合用临界比例度法，在什么时候用衰减曲线法，在什么时候用经验试
凑法都有所了解。但在学习过程中也难免遇到了一些不懂得问题及知识点，例如
各个变量是指的什么，怎么样调节更为准确等。但在老师的帮助下，问题也随之
解决，在这里也是很感谢老师的。虽然是短短的两周多的时间里我真的学到很多
我以前不知道的知识，我相信这次实训也给我带来了很大的财富。