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 评语 评语 成绩 成绩 签名 日期 目目 录录 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 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 s05102030405060708090100 T 058013025026028029029730030 0 300 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 s0510203040506070 T 02 5522 54042 5606567 5 t 8090100110120130140150160 T 7072 573 674 374 574 9757575 3 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 y 0 5 80 130 250 260 280 290 297 300 300 300 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 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 所以传递函数为 G s exp 2 5 s 300 17s 1 3 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 0 100 y1 k x1 b plot x 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 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 k 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 k T 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 k 积分时间常数 Ti微分时间 P2Kp 0 PI2 2Kp0 85Tk0 PID1 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 k 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 k 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 k 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 9 P 控制的响应曲线 其中 Kp 0 0715 1 Ki 0 1 Kd 0 图 3 10 PI 控制的响应曲线 其中 Kp 0 065 1 Ki 0 094 Kd 0 图 3 11 PID 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 tf 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 sy 作为操纵变量 图中是物料出口温度的设定值 前馈 tr 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 系统传递函数可表示为 式中 是干扰 tf 对被控变量的传递函数 是操纵变量 sGpd ty sGpc sy 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 ty sGff 扰动 tf 实现全补偿 提出的条件是当时 要求 并代入式0 sF0 sY 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 令式 3 4 中的 s 为 0 就可以得到静态前馈控制算式 sG sG sG pc pd ff sGsGsG sF sY pcffpd pc pd ff K K G 0 3 3 3 4 3 5 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pdKpcK 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pdKpcK 25 0 0 ffG 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 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 1 proteus 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 3 6 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 Schematic Drawing 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 Keil C51 uVision2 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 1 80C51 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 2 A D 转换接口电路 图 4 3 D 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