1 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。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
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，前馈控制系统的传递函数为：
Y?Gpd(s)?Gff(s)?Gpc(s)R (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，它引入了被控变量的变化作为输入量的参考依据，系统因此获得了一定的自适应能力。总的来说，前馈-反馈控制系统综合了前馈和反馈的优点，系统中既有能够对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在反馈控制克服其它的扰动信号使系统趋于稳定，可以提高系统的整体响应速度。
2.2 一般前馈-反馈控制系统的原理图
由前馈-反馈控制的概念及原理图可以知道系统中需要测量的信号主要由被控量跟扰动信号。因此，前馈-反馈控制系统一般由以下环节构成：1、扰动信号测量变送器：对扰动信号进行测量并转换成标准的电信号；2、前馈控制器：对扰动信号进行补偿；3、被控量测量变送器：对被控量进行测量并转换成标准的电信号;4、反馈控制调节器：对被控量进行调节；5、执行器和调节机构：直接作用于扰动和被控量的设备；
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。
显然的是，前馈不管加在了哪个位置，都构成不了闭合回路，系统的特征式维持不变，也就是说前馈并没有影响到系统的稳定性；引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件也没有改变；我们可以在整定参数的时候利用到这两个特点。
2.2 设计任务分析
图2.3 锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统结构图
如图2.3就是锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的实物结构图，既然要分析锅炉内胆锅炉内胆的水温，我们就要从水着手，循序渐进。锅炉内胆和夹套的水都来自磁力泵的管道，夹套的水一直在流动起到带走一部分热量的作用因此又称为冷却水；锅炉内胆的水可以通过加热管进行加热，它的温度就是我们要控制的量。由图2可以看出该温度主要由两个因素共同决定一个是水的流量，流量加大，温度降低；另一个是加热管的功率，功率加大，温度升高。流量扰动我们设其为可测不可控的，加热管的功率可以通过三相SCR调压模块调节大小。与一般前馈-反馈控制系统不同，基于S7-300的锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的前馈调节器跟反馈调节器并不是分开的，而是都由S7-300PLC来实现的，因此我们可以得到锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的系统框图：
图2.4 锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统框图
由锅炉内胆水温的前馈-反馈控制系统的系统框图可以看出本次毕业设计的任务
主要有：1、连接系统硬件设备；2、编写PLC前馈与PID模块程序；3、绘制组态界面并建立连接；4、整定各项参数得出结论。