过程控制课程设计双容水箱Smith预估控制.docx

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过程控制课程设计双容水箱Smith预估控制

过程控制课程设计

---双容水箱Smith预估控制

扬州大学信息工程学院

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

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

、课程设计设备

1、四水箱实验系统DDC实验软件

软件功能说明：

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。

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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,

其主要功能有:

功能

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

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。

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：

（19—1）

2、Smith预估算法

设一个控制系统，对象特性为:

（19—2）

GpcsGpps

这里将对象分成两部分GP和ps，设这两部分之间有变量B,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

图19—1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，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：

图19—2本仿真系统的Smith预估控制系统框图

由上图可见，ysms为对象的无滞后预估输出，其中此控制器加入了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

四、课程设计步骤

1按下图接线

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：

谙选择控制回路

檜SmthE路1

rSnth©路2

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：

複型参数Jo⑴|2

濾披时闾Cs）

卩

默认参数

确定

通过键盘，输入模型参数

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

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

根据对象特性，设置PID控制器参数，记录如下：

P=1

I=60

D=6

设置Smith控制器参数

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Km=1.63

时间常数Tm=18.9滞后时间Tao=9.3

仿真波形：

未加Smith预估前，波形如下:

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加Smith预估后，波形如下:

实时趋势

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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。

七、心得体会

和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，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。

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!

八、参考文献

（1）、胡寿松，自动控制原理，北京：

机械工业出版社

（2）、施仁，自动化仪表与过程控制，北京：

电子工业出版社，2003

（3）、金以慧，过程控制，北京：

清华大学出版社，1993

（4）、陈在平，杜太行控制系统计算机仿真及CAD天津：

天津大学出版社，2001

（5）、胡旭光，杨慧珍，王新民，计算机仿真技术（第二版），北京：

化学工业

出版社，2008

（6）、薛毅，数学建模基础，北京：

工业大学出版社，2004