過(guò)程控制課程設(shè)計(jì) 雙容水箱Smith預(yù)估控制[教學(xué)相關(guān)]

1、試題和教育0 過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)過(guò)程控制課程設(shè)計(jì) -雙容水箱雙容水箱 Smith 預(yù)估控制預(yù)估控制 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 日 期 試題和教育1 揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院 目目 錄錄 一、課程設(shè)計(jì)意義和目的.2 二、課程設(shè)計(jì)設(shè)備.2 三、課程設(shè)計(jì)原理.4 四、課程設(shè)計(jì)步驟.6 五、注意事項(xiàng).8 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果.8 七、心得體會(huì).11 八、參考文獻(xiàn).12 試題和教育2 一、課程設(shè)計(jì)意義和目的一、課程設(shè)計(jì)意義和目的 1、了解純滯后過(guò)程及其影響 2、學(xué)習(xí) smith 控制的原理 3、掌握 smith 控制器的整定方法 二、課程設(shè)計(jì)設(shè)備二、課程設(shè)計(jì)設(shè)備 1、 四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) DDC 實(shí)驗(yàn)軟件 軟件功

2、能說(shuō)明：四水箱 DDC 實(shí)驗(yàn)軟件的核心調(diào)度程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集和輸出、 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄以及實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，四水箱 DDC 實(shí)驗(yàn)軟件為學(xué)生在四水箱過(guò)程控制實(shí) 驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)提供了友好的人機(jī)交互界面，包括：首頁(yè)界面、實(shí)驗(yàn)界面、控制器界面、 趨勢(shì)界面和 I/O 設(shè)置界面。通過(guò)這些友好的界面，學(xué)生可以在過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)經(jīng)典 和先進(jìn)的控制方案。 如上圖所示，首頁(yè)界面為整個(gè)軟件的導(dǎo)航界面，當(dāng)軟件正確安裝并正常啟動(dòng)后，將進(jìn) 入此畫面， 試題和教育3 其主要功能有： 功能功能功能說(shuō)明功能說(shuō)明 選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ奖拒浖袃煞N實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦┻x擇：仿真和實(shí)際模式 選擇實(shí)驗(yàn)本軟件有水箱對(duì)象系統(tǒng)和溫度對(duì)象系統(tǒng)兩類實(shí)驗(yàn)，共

3、18 個(gè)供學(xué)生選 擇 仿真模型的接口提供進(jìn)入設(shè)置仿真模型界面的接口，此功能只有在仿真模式下有效 輸入信號(hào)的接口提供進(jìn)入設(shè)置輸入信號(hào)界面的接口，此功能只有在實(shí)際模式下有效 歷史趨勢(shì)的接口提供進(jìn)入查看歷史趨勢(shì)的接口 本軟件信息的接口提供進(jìn)入查看本軟件的信息界面的接口 結(jié)束本軟件退出整個(gè)軟件，回到 Window 桌面 2、 PC 機(jī)（Windows 2000 Professional 操作系統(tǒng)） 試題和教育4 三、課程設(shè)計(jì)原理三、課程設(shè)計(jì)原理 1、 純滯后過(guò)程 某些過(guò)程在輸入量改變后，輸出變量并不立即改變，而要經(jīng)過(guò)一段 時(shí)間才反映出來(lái)，純滯后就是指在輸入變量變化后，看不到系統(tǒng)對(duì)其響 應(yīng)的這段時(shí)間。

4、當(dāng)物質(zhì)或能量沿著一條特定的路徑傳輸時(shí)就會(huì)出現(xiàn)純滯后，路徑的 長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)速度是決定純滯后大小的兩個(gè)因素。純滯后環(huán)節(jié)對(duì)任何信號(hào) 的響應(yīng)都是把它推遲一段時(shí)間，其大小等于純滯后時(shí)間，純滯后環(huán)節(jié)的 數(shù)學(xué)描述為： （191） s s G 2、 Smith 預(yù)估算法 設(shè)一個(gè)控制系統(tǒng)，對(duì)象特性為： （192） s s P PPC GG 這里將對(duì)象分成兩部分和，設(shè)這兩部分之間有變量 B， P G s P 如果能將 B 檢測(cè)出來(lái)，則可以按下圖構(gòu)造簡(jiǎn)單的反饋控制系統(tǒng) 滯后環(huán)節(jié)Gp（s） Y（s） PID控制器 R（s）B（s） 圖 191 理想的純滯后過(guò)程的單回路控制 如上圖所示，由于 B 信號(hào)沒(méi)有滯后，所以系統(tǒng)響

5、應(yīng)將會(huì)大大地改善。 然而因?yàn)?B 是不能直接檢測(cè)的，只有用過(guò)程模型才能將它推算出來(lái)。 Smith 預(yù)估器的實(shí)質(zhì)是借助于過(guò)程模型推算出滯后環(huán)節(jié)前的輸出， 試題和教育5 以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有純滯后的反饋控制。 本仿真系統(tǒng)采用了改進(jìn)型的 Smith 預(yù)估控制器，其組成的控制系統(tǒng) 如下圖所示： +_ Gc(s) R (s) ym (s) + _ u (s) 廣義對(duì)象 ( ) m Gs + + + + D (s) ( ) ms m Gs e 1 1 f T s 改進(jìn)型Smith補(bǔ)償器 ysm (s) 圖 192 本仿真系統(tǒng)的 Smith 預(yù)估控制系統(tǒng)框圖 由上圖可見，為對(duì)象的無(wú)滯后預(yù)估輸出，其中此控制器加入了 s

6、 sm y 對(duì)實(shí)際輸出信號(hào)與預(yù)估模型輸出信號(hào)誤差的濾波處理。 3、 Smith 控制器的整定 從本仿真系統(tǒng)的 Smith 預(yù)估控制系統(tǒng)框圖可以看出，此改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器的參數(shù)整定主要涉及對(duì)象模型參數(shù)的獲得，因此其整定的 步驟如下： A獲得對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 用飛升曲線法，測(cè)得被控對(duì)象的特性曲線，然后通過(guò)分析曲線 特性獲得對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 B將模型參數(shù)作為 Smith 控制器的參數(shù) C根據(jù)實(shí)際的控制效果，調(diào)整參數(shù)，直至達(dá)到較佳的控制效果 試題和教育6 四、課程設(shè)計(jì)步驟四、課程設(shè)計(jì)步驟 1、按下圖接線 左下水 箱液位 右下水 箱液位 左上水 箱液位 右上水 箱液位 加熱水 箱水溫 短滯后 水溫

7、 長(zhǎng)滯后 水溫 調(diào)節(jié)閥 開度 變頻器 頻率 加熱 功率 主管電 磁流量 副管渦 輪流量 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、進(jìn)入 Smith 實(shí)驗(yàn)界面 運(yùn)行四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) DDC 實(shí)驗(yàn)軟件，進(jìn)入首頁(yè)界

8、面； 選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖椤胺抡婺Ｐ汀?； 單擊實(shí)驗(yàn)菜單，進(jìn)入雙容水箱 Smith 預(yù)估控制實(shí)驗(yàn)界面，如下圖所示： 試題和教育7 3、選擇控制回路 A、選擇對(duì)象 在實(shí)驗(yàn)界面的“請(qǐng)選擇控制回路”選擇框中選擇控制回路，如下圖 所示： 從兩個(gè)回路中任選一個(gè)。 B、組成控制回路 當(dāng)選擇“Smith 回路 1”時(shí)，打開進(jìn)水閥 K31，關(guān)閉其它進(jìn)水閥； 當(dāng)選擇“Smith 回路 2”時(shí)，打開進(jìn)水閥 K41，關(guān)閉其它進(jìn)水閥。 4、初始化控制系統(tǒng) i.將 PID 控制器設(shè)置成手動(dòng) 單擊實(shí)驗(yàn)界面相應(yīng)控制回路的 PID 控制器標(biāo)簽彈出 PID 控制器界面 后，單擊 PID 控制器界面的“手動(dòng)”按鈕 ii.設(shè)定工作點(diǎn) 設(shè)

9、置控制器輸出 MV（U1） 5、設(shè)置 PID 控制器參數(shù) 根據(jù)對(duì)象特性，設(shè)置 PID 控制器參數(shù) 比例系數(shù) P 、 積分常數(shù) I 、微分常數(shù) D 并通過(guò)鍵盤輸入到控制器參數(shù)設(shè)置界面中，具體參見前面的實(shí)驗(yàn) 6、設(shè)置 Smith 控制器參數(shù) a、按實(shí)驗(yàn)原理部分描述的方法，獲得 Smith 控制器參數(shù) 放大系數(shù) Km 時(shí)間常數(shù) Tm 滯后時(shí)間 Tao 濾波時(shí)間 Tf b、將參數(shù)輸入控制器中 單擊實(shí)驗(yàn)界面相應(yīng)控制回路的 Smith 控制器，彈出 Smith 控制器界面， 然后單擊 Smith 控制器界面的“參數(shù)設(shè)置”按鈕，彈出 Smith 控制器 參數(shù)設(shè)置界面，如下圖所示： 試題和教育8 通過(guò)鍵盤，輸

10、入模型參數(shù) 7、PID 控制器投入運(yùn)行 將 PID 控制器設(shè)置成自動(dòng)，單擊 PID 控制器的“自動(dòng)”按鈕 8、查看控制效果 通過(guò)“實(shí)時(shí)趨勢(shì)”或“歷史趨勢(shì)”窗體，查看趨勢(shì)曲線 根據(jù)趨勢(shì)曲線，適當(dāng)修改 PID 控制器參數(shù)，以達(dá)到較佳控制效果 9、結(jié)果分析 根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析 Smith 預(yù)估器的預(yù)估效果，將其與雙容 水箱液位 PID 控制器的效果相比較，并分析之。 五、注意事項(xiàng)五、注意事項(xiàng) 四水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) DDC 實(shí)驗(yàn)軟件使用時(shí)，確保文件“四容水箱系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)” 不在使用。 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)對(duì)象特性，設(shè)置 PID 控制器參數(shù)，記錄如下： P1 I60 D6 設(shè)置 Smith 控制

11、器參數(shù) 按實(shí)驗(yàn)原理部分描述的方法，獲得 Smith 控制器參數(shù)，記錄如下： 放大系數(shù) Km1.63 時(shí)間常數(shù) Tm18.9 試題和教育9 滯后時(shí)間 Tao9.3 仿真波形： 未加 Smith 預(yù)估前，波形如下： 加 Smith 預(yù)估后，波形如下： 試題和教育10 結(jié)論：結(jié)論： Smith 預(yù)估控制是針對(duì)被控對(duì)象具有的純滯后性質(zhì)而提出了 一種純滯后補(bǔ)償控制算法，而雙容水箱自身存在滯后的特 點(diǎn)?？梢?，對(duì)其研究有一定的意義。仿真結(jié)果也表明， Smith 預(yù)估控制應(yīng)用于大滯后的的雙容水箱系統(tǒng)，具有較好 的控制效果。 試題和教育11 七、心得體會(huì)七、心得體會(huì) 和學(xué)別的學(xué)科一樣，在學(xué)完 PLC 理論課程后

12、我們做了課程設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì) 以分組的方式進(jìn)行，每組有一個(gè)題目。我們做的是一個(gè)雙容水箱 smith 預(yù)估控 制設(shè)計(jì)。由于平時(shí)大家都是學(xué)理論，沒(méi)有過(guò)實(shí)際開發(fā)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，拿到的時(shí)候 都不知道怎么做。但通過(guò)各方面的查資料并學(xué)習(xí)。我們基本學(xué)會(huì)了 PLC 設(shè)計(jì)的 步聚和基本方法。分組工作的方式給了我與同學(xué)合作的機(jī)會(huì)，提高了與人合作 的意識(shí)與能力。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)實(shí)踐。我學(xué)會(huì)了如何控制，對(duì) PLC 的工作原理和使用方法也 有了更深刻的理解。在對(duì)理論的運(yùn)用中，提高了我們的工程素質(zhì)，在沒(méi)有做實(shí) 踐設(shè)計(jì)以前，我們對(duì)知道的撐握都是思想上的，對(duì)一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我們 把自己想出來(lái)的程序與到 PLC 中的時(shí)候，問(wèn)題出現(xiàn)

13、了，不是不能運(yùn)行，就是運(yùn) 行的結(jié)果和要求的結(jié)果不相符合。能過(guò)解決一個(gè)個(gè)在調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們 對(duì) PLC 的理解得到加強(qiáng)，看到了實(shí)踐與理論的差距。 通過(guò)合作，我們的合作意識(shí)得到加強(qiáng)。合作能力得到提高。上大學(xué)后，很 多同學(xué)都沒(méi)有過(guò)深入的交流，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們用了分工與合作的方式， 每個(gè)人負(fù)責(zé)一定的部分，同時(shí)在一定的階段共同討論，以解決分工中個(gè)人不能 解決的問(wèn)題，在交流中大家積極發(fā)言，和提出意見，同時(shí)我們還向別的同學(xué)請(qǐng) 教。在此過(guò)程中，每個(gè)人都想自己的方案得到實(shí)現(xiàn)，積極向同學(xué)說(shuō)明自己的想 法。能過(guò)比較選出最好的方案。在這過(guò)程也提高了我們的表過(guò)能力。 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們還得到了老師的幫助與意見

14、。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不是 每一個(gè)問(wèn)題都能自己解決，向老師請(qǐng)教或向同學(xué)討論是一個(gè)很好的方法，不是 有句話叫做思而不學(xué)者殆。做事要學(xué)思結(jié)合。 有的初學(xué)者在理論上花了很多功夫，結(jié)果半年下來(lái)還是沒(méi)有把 PLC 搞懂， 其實(shí)他們只是缺少了一些 PLC 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，大家很快就掌 握 PLC 這項(xiàng)技術(shù)了。開始階段可以先學(xué)習(xí)一種品牌的 PLC，因?yàn)樗械?PLC 原 理都是差不多的，掌握了一種 PLC 其它的只要翻閱一下手冊(cè)也就能上手使用了。 經(jīng)過(guò)了這樣的實(shí)踐，基本上知道 PLC 到底能做哪些事情了，在實(shí)際的工控應(yīng)用 中就能做到胸有成竹了。 通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我們能夠?qū)⒗碚摻Y(jié)合實(shí)踐，在實(shí)踐中應(yīng)用理論，從而 更加有助于理解，最用才能達(dá)到應(yīng)用的地步! ! 試題和教育12 八、參考