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1、毕 业 设 计（论 文）题目：基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系设计（组态）（英文）： Design of Feedforward and Feedback Control Systems Based on S7-300 Boiler Water Temperature (Configuration)院 别： 自动化学院 专 业： 自动化 姓 名： 肖 奎 学 号： 2010104843020 指导教师： 李 虎 山 日 期： 2014年4月 基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统设计（组态）摘要温度是常见的过程参数之一，许多的生产过程都离不开对温度的控制，温度的控制往往
2、是对加热和冷却的平衡，锅炉正是这样的系统，当加热大于冷却时整个系统升温；反之则降温；二者若是趋于相等就可以使温度趋于稳定。若是采用单纯的反馈控制对锅炉内胆水温进行控制，由于流量变化快而温度控制滞后大就会导致系统的稳定性、快速性较差，不能取得理想的控制效果。解决这个问题的办法就是加入对主要扰动流量的前馈补偿环节构成锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统，使得流量的变化能够迅速得到补偿，提高系统的响应速度。近年来，可编程控制器（PLC）依托着可靠性高，抗干扰，功能强大等特点得到了广泛的运用，随着生产和编程的技术不断进步，越来越多的控制方式得以在PLC上实现。本设计将围绕西门子S7-300 PLC从前馈-
3、反馈控制系统的介绍、PLC及测量变送仪表设备的选择、软件的展示及组态编程这三个方面来阐述锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的设计，力求展示出前馈-反馈控制系统的特点。通过本设计可以观测到前馈-反馈控制系统在以流量变化为主要扰动的情况下对锅炉内胆的水温可以取得较好的控制效果。关键词：前馈-反馈控制； PLC；温度 Design of Feedforward and Feedback Control Systems Based on S7-300 Boiler Water Temperature (Configuration)ABSTRACTTemperature is one of the com
4、mon process parameters , many production processes are inseparable from the temperature control , temperature control is often the balance of heating and cooling , the boiler system is such that when the heating temperature is greater than the cooling of the entire system ; otherwise cool ; both ten
5、d to be equal if you can make the temperature to stabilize. If using a simple feedback control to control the temperature of the boiler tank ,due to rapid changes in flow and temperature control will lead to a large hysteresis stability, rapid poor system can not achieve the desired control effect.
6、To solve this problem is to add a feedforward flow of former major disturbance feedforward compensation constitutes a part of the interior temperature of the boiler - a feedback control system, making changes in flow can be compensated quickly , improve the response speed of the system.In recent yea
7、rs , programmable logic controller (PLC) relying on high reliability , interference, and powerful features have been widely used , with production and programming technology advances , more and more control to the PLC achieved. This design will focus on Siemens S7-300 PLC feedforward - feedback cont
8、rol system introduction, select PLC transmission instruments and measuring equipment , software, display and programming of these three aspects to elaborate boiler water tank feedforward - feedback control system design , and strive to demonstrate feedforward - feedback control system characteristic
9、s. This design can be seen through the feedforward - feedback control system to flow in the case of major disturbances in the water tank of the boiler can achieve better control effect. Keywords: Feedforward and feedback control; PLC;Temperature目录1 绪论12 基本背景知识22.1 前馈-反馈控制22.1.1 前馈控制系统22.1.2 前馈-反馈控制系
10、统32.2 设计任务分析43 控制系统硬件63.1 控制设备63.1.1 PLC基本介绍63.1.2 S7-300 PLC CPU模块说明73.1.3 S7-300 PLC信号模块（SM）说明83.2 测量变送设备93.2.1 温度传感器、变送器93.2.2 流量计94 系统的设计过程104.1 系统装置接线104.2 模拟量信号采集114.3 西门子Step 7编程软件的简介114.4 PLC程序的编写155 组态的建立过程195.1 组态软件介绍195.2 组态的建立过程245.3 控制参数的整定28结语31参考文献32致谢33基于s7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统设计（组态）1
11、 绪论自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的显著标志和重要条件之一，自动化技术不仅可以把人们从繁琐重复的体力劳动或者不安全的工作环境中解放出来，而且能够扩展人类各种器官功能，极大地提高劳动生产率，对促进人类进步大有裨益。因此，越来越多场合的自动化改造被提上了日程。过程控制是生产过程自动化的简称，是自动化技术的重要组成部分。过程控制是指针对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制其中，温度是最常见的控制对象之一，具有特别的意义，例如在发酵过程中温度决定了酵母菌的繁殖速度及酿造物的质量；在水族馆中，水温会影响溶氧量和水生物的生长情况；在冶金行业里，温度更是决定制品纯度成
12、色的重要因素。但温度作为被控量的话不仅滞后大而且往往还存在着流量、液位等多种扰动，因此如何克服扰动实现稳定的温度控制是自动化工程师们努力研究的方向之一。PLC即可编程控制器是一种专用工控机，它的存储器是可以进行编程的，在它的内部储存和执行各种指令如：逻辑运算、顺序运算、计时计数等。它支持数字量或者模拟量的输入或输出，可以控制多种生产过程。本设计综合运用计算机、西门子S7-300PLC、水泵、温度检测、流量变送器、温度变送器、锅炉等设备综合使用了计算机及PLC编程、控制算法设计、过程控制技术、工控现场总线技术、电气线路设计等知识点在求是教仪上实现基于S7-300锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统。
13、抛砖引玉，力求展示出前馈-反馈控制系统的特点，为成为一名合格的自动化专业毕业生打下基础。2 基本背景知识2.1 前馈-反馈控制2.1.1 前馈控制系统Gff(S)GPC(S)GPD(S)YR前馈控制，简称FFC（Feed Forward Control）是一种开环的控制方式，它能根据干扰量的变化补偿干扰量对被控量的影响，其特点是当扰动产生后，被控变量还未发生变化以前，就能根据扰动的大小进行控制，以补偿扰动产生的影响,在理想状态的前馈控制甚至可以实现无差补偿。前馈控制的系统框图如图2.1所示：图2.1 前馈控制系统框图图2.1上面那条支路为干扰通道支路，下面的支路是控制通道支路，因此，前馈控制系
14、统的传递函数为： (公式1.1)当满足以下两式时系统对R干扰可以实现完全补偿：,所以可以求得前馈控制器的传递函数为： （公式1.2）根据公式1.2中的负号可以看出控制器的作用跟扰动的作用方向是相反的，起到了补偿扰动的作用。按照对干扰进行补偿的特点不同，单纯的前馈控制系统又可以分为静态前馈控制和动态前馈控制两种。静态前馈控制是指在足够稳定的工况下对扰动进行补偿，此时前馈控制器的输出和输入是一比例关系，而跟时间t没有关系；也就是说此时的前馈控制器传递函数Gff(s)是一个静态的系数Kf，故称为静态前馈控制。与静态不同，动态前馈控制是指在任意的时刻乃至不同的状况下前馈控制器都能对扰动进行补偿，因此它
15、的传递函数完全符合公式1.2；干扰经前馈控制器通道产生的输出与其经干扰通道产生的输出，二者大小特性一致但方向相反，相互抵消；这样的就是动态前馈控制方式。下面是一些前馈控制区别于其他控制方式的特点：1、克服干扰的响应速度快；前馈控制器在扰动产生的时刻马上就可以运算出补偿值，它的响应速度比通常比反馈控制要快。2、面向专一对象使用；因为前馈控制器是为了补偿扰动通道输出而设计的，一种前馈控制器只针对一种扰动，如果要针对多个扰动就需要设计多个不同前馈控制器来实现。3、是开环控制系统；根据其系统框图可以显然看出，在克服扰动后前馈控制系统并没有加入对输出结果的检验和校正环节，属于“开环”。2.1.2 前馈-反馈控制系统由于单纯的前馈控制系统是开环控制系统，无法对输出结果进行检验和校正，但是我们的控制系统中往往不单只前馈控制器克服的那些扰动还有一些次要扰动，如果对每一个扰动都设计对应的前馈控制器往往会使得系统过于繁琐且经济成本太高，因此为了既经济又有较好的控制效果，保证输出结果的准确性我们引入了反馈控制系统组成前馈-反馈控制系统。反馈系统是闭环控制系统，它引入了被控变量
