过程控制课程设计 双容水箱Smith预估控制[教学相关]

1、试题和教育0 过程控制课程设计过程控制课程设计 -双容水箱双容水箱 Smith 预估控制预估控制 班 级 姓 名 学 号 指导老师 日 期 试题和教育1 扬州大学信息工程学院 目目 录录 一、课程设计意义和目的.2 二、课程设计设备.2 三、课程设计原理.4 四、课程设计步骤.6 五、注意事项.8 六、实验结果.8 七、心得体会.11 八、参考文献.12 试题和教育2 一、课程设计意义和目的一、课程设计意义和目的 1、了解纯滞后过程及其影响 2、学习 smith 控制的原理 3、掌握 smith 控制器的整定方法 二、课程设计设备二、课程设计设备 1、 四水箱实验系统 DDC 实验软件 软件功

2、能说明：四水箱 DDC 实验软件的核心调度程序实现了数据的采集和输出、 数据的实时记录以及实时监控。同时，四水箱 DDC 实验软件为学生在四水箱过程控制实 验装置上进行实验提供了友好的人机交互界面，包括：首页界面、实验界面、控制器界面、 趋势界面和 I/O 设置界面。通过这些友好的界面，学生可以在过程控制实验装置实现经典 和先进的控制方案。 如上图所示，首页界面为整个软件的导航界面，当软件正确安装并正常启动后，将进 入此画面， 试题和教育3 其主要功能有： 功能功能功能说明功能说明 选择实验模式本软件有两种实验模式供选择：仿真和实际模式 选择实验本软件有水箱对象系统和温度对象系统两类实验，共

3、18 个供学生选 择 仿真模型的接口提供进入设置仿真模型界面的接口，此功能只有在仿真模式下有效 输入信号的接口提供进入设置输入信号界面的接口，此功能只有在实际模式下有效 历史趋势的接口提供进入查看历史趋势的接口 本软件信息的接口提供进入查看本软件的信息界面的接口 结束本软件退出整个软件，回到 Window 桌面 2、 PC 机（Windows 2000 Professional 操作系统） 试题和教育4 三、课程设计原理三、课程设计原理 1、 纯滞后过程 某些过程在输入量改变后，输出变量并不立即改变，而要经过一段 时间才反映出来，纯滞后就是指在输入变量变化后，看不到系统对其响 应的这段时间。

4、当物质或能量沿着一条特定的路径传输时就会出现纯滞后，路径的 长度和运动速度是决定纯滞后大小的两个因素。纯滞后环节对任何信号 的响应都是把它推迟一段时间，其大小等于纯滞后时间，纯滞后环节的 数学描述为： （191） s s G 2、 Smith 预估算法 设一个控制系统，对象特性为： （192） s s P PPC GG 这里将对象分成两部分和，设这两部分之间有变量 B， P G s P 如果能将 B 检测出来，则可以按下图构造简单的反馈控制系统 滞后环节Gp（s） Y（s） PID控制器 R（s）B（s） 图 191 理想的纯滞后过程的单回路控制 如上图所示，由于 B 信号没有滞后，所以系统响

5、应将会大大地改善。 然而因为 B 是不能直接检测的，只有用过程模型才能将它推算出来。 Smith 预估器的实质是借助于过程模型推算出滞后环节前的输出， 试题和教育5 以实现没有纯滞后的反馈控制。 本仿真系统采用了改进型的 Smith 预估控制器，其组成的控制系统 如下图所示： +_ Gc(s) R (s) ym (s) + _ u (s) 广义对象 ( ) m Gs + + + + D (s) ( ) ms m Gs e 1 1 f T s 改进型Smith补偿器 ysm (s) 图 192 本仿真系统的 Smith 预估控制系统框图 由上图可见，为对象的无滞后预估输出，其中此控制器加入了 s

6、 sm y 对实际输出信号与预估模型输出信号误差的滤波处理。 3、 Smith 控制器的整定 从本仿真系统的 Smith 预估控制系统框图可以看出，此改进型 Smith 预估器的参数整定主要涉及对象模型参数的获得，因此其整定的 步骤如下： A获得对象的数学模型 用飞升曲线法，测得被控对象的特性曲线，然后通过分析曲线 特性获得对象的数学模型。 B将模型参数作为 Smith 控制器的参数 C根据实际的控制效果，调整参数，直至达到较佳的控制效果 试题和教育6 四、课程设计步骤四、课程设计步骤 1、按下图接线 左下水 箱液位 右下水 箱液位 左上水 箱液位 右上水 箱液位 加热水 箱水温 短滞后 水温

7、 长滞后 水温 调节阀 开度 变频器 频率 加热 功率 主管电 磁流量 副管涡 轮流量 A AI I0 0A AI I1 1A AI I2 2A AI I3 3 A A0 01 1 DDC控制 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - A AI I4 4A AI I5 5A AI I6 6A AI I7 7 A AO O0 0 + - A AO O3 3 + - A AO O2 2 + - 2、进入 Smith 实验界面 运行四水箱实验系统 DDC 实验软件，进入首页界

8、面； 选择实验模式为“仿真模型” ； 单击实验菜单，进入双容水箱 Smith 预估控制实验界面，如下图所示： 试题和教育7 3、选择控制回路 A、选择对象 在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图 所示： 从两个回路中任选一个。 B、组成控制回路 当选择“Smith 回路 1”时，打开进水阀 K31，关闭其它进水阀； 当选择“Smith 回路 2”时，打开进水阀 K41，关闭其它进水阀。 4、初始化控制系统 i.将 PID 控制器设置成手动 单击实验界面相应控制回路的 PID 控制器标签弹出 PID 控制器界面 后，单击 PID 控制器界面的“手动”按钮 ii.设定工作点 设

9、置控制器输出 MV（U1） 5、设置 PID 控制器参数 根据对象特性，设置 PID 控制器参数 比例系数 P 、 积分常数 I 、微分常数 D 并通过键盘输入到控制器参数设置界面中，具体参见前面的实验 6、设置 Smith 控制器参数 a、按实验原理部分描述的方法，获得 Smith 控制器参数 放大系数 Km 时间常数 Tm 滞后时间 Tao 滤波时间 Tf b、将参数输入控制器中 单击实验界面相应控制回路的 Smith 控制器，弹出 Smith 控制器界面， 然后单击 Smith 控制器界面的“参数设置”按钮，弹出 Smith 控制器 参数设置界面，如下图所示： 试题和教育8 通过键盘，输

10、入模型参数 7、PID 控制器投入运行 将 PID 控制器设置成自动，单击 PID 控制器的“自动”按钮 8、查看控制效果 通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，查看趋势曲线 根据趋势曲线，适当修改 PID 控制器参数，以达到较佳控制效果 9、结果分析 根据记录的实验数据，分析 Smith 预估器的预估效果，将其与双容 水箱液位 PID 控制器的效果相比较，并分析之。 五、注意事项五、注意事项 四水箱实验系统 DDC 实验软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库” 不在使用。 六、实验结果六、实验结果 根据对象特性，设置 PID 控制器参数，记录如下： P1 I60 D6 设置 Smith 控制

11、器参数 按实验原理部分描述的方法，获得 Smith 控制器参数，记录如下： 放大系数 Km1.63 时间常数 Tm18.9 试题和教育9 滞后时间 Tao9.3 仿真波形： 未加 Smith 预估前，波形如下： 加 Smith 预估后，波形如下： 试题和教育10 结论：结论： Smith 预估控制是针对被控对象具有的纯滞后性质而提出了 一种纯滞后补偿控制算法，而双容水箱自身存在滞后的特 点。可见，对其研究有一定的意义。仿真结果也表明， Smith 预估控制应用于大滞后的的双容水箱系统，具有较好 的控制效果。 试题和教育11 七、心得体会七、心得体会 和学别的学科一样，在学完 PLC 理论课程后

12、我们做了课程设计，此次设计 以分组的方式进行，每组有一个题目。我们做的是一个双容水箱 smith 预估控 制设计。由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候 都不知道怎么做。但通过各方面的查资料并学习。我们基本学会了 PLC 设计的 步聚和基本方法。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作 的意识与能力。 通过这次设计实践。我学会了如何控制，对 PLC 的工作原理和使用方法也 有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实 践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们 把自己想出来的程序与到 PLC 中的时候，问题出现

13、了，不是不能运行，就是运 行的结果和要求的结果不相符合。能过解决一个个在调试中出现的问题，我们 对 PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。 通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力得到提高。上大学后，很 多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式， 每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能 解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请 教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想 法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表过能力。 在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见

14、。在学习的过程中，不是 每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是 有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。 有的初学者在理论上花了很多功夫，结果半年下来还是没有把 PLC 搞懂， 其实他们只是缺少了一些 PLC 的实践经验，通过此次课程设计，大家很快就掌 握 PLC 这项技术了。开始阶段可以先学习一种品牌的 PLC，因为所有的 PLC 原 理都是差不多的，掌握了一种 PLC 其它的只要翻阅一下手册也就能上手使用了。 经过了这样的实践，基本上知道 PLC 到底能做哪些事情了，在实际的工控应用 中就能做到胸有成竹了。 通过此次课程设计，我们能够将理论结合实践，在实践中应用理论，从而 更加有助于理解，最用才能达到应用的地步! ! 试题和教育12 八、参考