滯后控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué) 院信息科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào)0903010127課程設(shè)計(jì)題目thfcs-1型實(shí)驗(yàn)裝置-滯后控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1實(shí)踐教學(xué)要求與任務(wù):1） 構(gòu)成thfcs-1滯后控制系統(tǒng)2） 硬軟件設(shè)計(jì)3） 實(shí)驗(yàn)調(diào)試4） thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5） 撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告工作計(jì)劃與進(jìn)度安排:1） 第12天，查閱文獻(xiàn)，構(gòu)成thfcs-1滯后控制系統(tǒng)2） 第34天，硬軟件設(shè)計(jì)3） 第56，實(shí)驗(yàn)調(diào)試4）第79天，thfcs-1現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)5）第10天，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)教師： 201 年 月 日專業(yè)負(fù)責(zé)人：201 年 月 日學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)：201 年 月 日14摘要在工業(yè)過(guò)程中

2、，大滯后系統(tǒng)普遍存在。論文以一實(shí)驗(yàn)用加熱裝置為研究對(duì)象，針對(duì)該溫度控制系統(tǒng)具有大滯后特點(diǎn)，采用smith 預(yù)估控制器的控制方案。理論分析該種控制系統(tǒng)與單回路pid 控制相比，具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)特性。關(guān)鍵詞：大純滯后； pid；smith 預(yù)估目 錄引言1第1章 課程設(shè)計(jì)基本資料21.1軟硬件平臺(tái)21.2控制方案21.3流程：3第2章 內(nèi)膽加循環(huán)水單環(huán)定值控制4第3章 純滯后常規(guī)pid控制5第4章 smith預(yù)估補(bǔ)償控制741 smith預(yù)估補(bǔ)償器原理74.2對(duì)象特性測(cè)試94.3實(shí)驗(yàn)步驟：12第5章 總結(jié)13參考文獻(xiàn)14引言在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常由于物料、能量的傳輸帶來(lái)時(shí)間延遲的問(wèn)題，即被控對(duì)象具有

3、不同程度的純滯后，不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)。即使測(cè)量信號(hào)能到達(dá)控制器,執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受信號(hào)后立即動(dòng)作，也需要經(jīng)過(guò)一個(gè)滯后時(shí)間，才能影響到被控制量，使之受到控制。這樣的過(guò)程必然會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，使過(guò)渡過(guò)程變壞，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。當(dāng)/t 增加時(shí)，過(guò)程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至?xí)驗(yàn)閲?yán)重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。我們通常將純滯后時(shí)間與過(guò)程的時(shí)間常數(shù)tp 之比大于0.3的過(guò)程認(rèn)為是具有大滯后的過(guò)程1。傳統(tǒng)的pid 控制一般不能解決過(guò)程控制上的大滯后問(wèn)題，因此具有大滯后的過(guò)程控制被認(rèn)為是較難的控制問(wèn)題，成為過(guò)程控制研究的熱點(diǎn)。鍋爐的爐溫控制問(wèn)題是一個(gè)典型的時(shí)間滯后問(wèn)題。第1章

4、課程設(shè)計(jì)基本資料11軟硬件平臺(tái)沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院購(gòu)置的“thj-3型西門子plc過(guò)程控制系統(tǒng)”是由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制柜及上位監(jiān)控pc機(jī)三部分組成。它是本公司根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化及其他相關(guān)專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)，并吸收了國(guó)內(nèi)外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長(zhǎng)處，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證而推出的一套全新的綜合性實(shí)驗(yàn)裝置。本裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的現(xiàn)狀，是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，單回路控制，串級(jí)控制，前饋-反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。

5、沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室其中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)由夾套鍋爐、管道、閥門、水箱、i/o模塊、工控機(jī)、力控軟件等部件組成。系統(tǒng)中可以測(cè)量和控制的量有流量、水壓、溫度、液位等；具有幾個(gè)可控的參數(shù)：進(jìn)出水閥門的開度、變頻器頻率、加熱絲功率，可以通過(guò)改變它們的控制信號(hào) （420ma）對(duì)其進(jìn)行控制。鍋爐的出水口到出口溫度測(cè)量點(diǎn)之間有一段很長(zhǎng)的盤管，水流流經(jīng)該管道造成大約數(shù)分鐘的時(shí)延，用來(lái)模擬大滯后系統(tǒng)。12控制方案(1) 對(duì)于超過(guò)0.31的大純滯后系統(tǒng),采用smith 預(yù)估補(bǔ)償器,能取得好的控制效果。(2) 對(duì)于小于0.3的系統(tǒng),采用常規(guī)pid,就能取得好的控制效果。在生產(chǎn)過(guò)程中造成滯后的原因

6、通常有以下三種：1、 傳輸滯后2、 測(cè)量滯后3、 容量滯后 我們本次課程設(shè)計(jì)所指的也是傳輸純滯后，采用常規(guī)pid和smith 預(yù)估補(bǔ)償兩種方法。13流程：開hv02、hv07、hv17、hv12、hv06關(guān)hv03、hv08、hv09、hv13、hv16循環(huán)水過(guò)fv102，從下邊進(jìn)鍋爐，通過(guò)溢出口流出，為保持液位不變，恒壓供水壓力恒為24kpa不變，調(diào)節(jié)閥保持半開。溢出水經(jīng)te201進(jìn)入儲(chǔ)水箱。第2章 內(nèi)膽加循環(huán)水單環(huán)定值控制內(nèi)膽加循環(huán)水單環(huán)定值控制響應(yīng)曲線，測(cè)溫點(diǎn)為te101第3章 純滯后常規(guī)pid控制純滯后常規(guī)pid控制(出水口單環(huán)，測(cè)溫點(diǎn)為te201)數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)控制策略響應(yīng)曲線（由于時(shí)間

7、緊迫，且調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，故不能保證調(diào)節(jié)時(shí)間，只能保證穩(wěn)態(tài)誤差小天1%）穩(wěn)態(tài)值在42.50與43.69之間波動(dòng)，滿足穩(wěn)態(tài)誤差1度的要求！ 第4章 smith預(yù)估補(bǔ)償控制 41 smith預(yù)估補(bǔ)償器原理純滯后現(xiàn)象通常是傳輸問(wèn)題所引起的。這里所說(shuō)的純滯后問(wèn)題，是指在被控對(duì)象上所能檢測(cè)到的參數(shù)是包含純滯后在內(nèi)的參數(shù)，而不包含純滯后在內(nèi)的中間參數(shù)是不能檢測(cè)的。 如果純滯后環(huán)節(jié)處在控制系統(tǒng)內(nèi)，則控制質(zhì)量會(huì)急劇變差，如果能夠采取某些方法，將純滯后環(huán)節(jié)排除在控制系統(tǒng)之外，則會(huì)提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。假定廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為： （11）式中的對(duì)象傳遞函數(shù)中不包含純滯后的那一部分。這種補(bǔ)償辦法是在廣義對(duì)象上并聯(lián)一個(gè)

8、分路，設(shè)這一分路的傳遞函數(shù)為，如圖1.1所示： 令并聯(lián)后的等效傳遞函數(shù)為，即： (12)因此,由式(12)可得到:= (13)上式即是為了消除純滯后的影響所應(yīng)采用的補(bǔ)償器模型。我們稱之為史密斯補(bǔ)償器。如果對(duì)象有純滯后,其其遞函數(shù)為，對(duì)其構(gòu)成單回路系統(tǒng)，其方塊圖如圖.2所示。如果補(bǔ)償之后能夠?qū)⒓儨蟓h(huán)節(jié)排除在系統(tǒng)環(huán)路之外，就達(dá)到了發(fā)送控制系統(tǒng)質(zhì)量的目的，補(bǔ)償之后的方塊圖如圖1.3所示。史密斯補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)前已導(dǎo)出為：= 將史密斯補(bǔ)償器傳遞函數(shù)代入后，方塊圖1.4可畫成圖1.5形式圖1.5是具有純滯后的對(duì)象加上史密斯補(bǔ)償后構(gòu)成的單回路系統(tǒng)的等效方塊圖。從圖1.5不難看出y與y1的變化相同，只是在

9、時(shí)間上相差一個(gè)時(shí)間，因此，在給定值r作階躍變化時(shí)，y1與y在過(guò)渡過(guò)程形狀和系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)方面都完全相同。再?gòu)膱D1.5所示系統(tǒng)本身來(lái)考慮，y對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程與y1也是完全相同的，所不同的只是響應(yīng)時(shí)間比y1向后推遲了一個(gè)純滯后時(shí)間。由控制原理可知，系統(tǒng)中沒有純滯后的y變化比系統(tǒng)中有純滯后的y的變化要小，控制質(zhì)量要高。而圖1.5中y的變化與系統(tǒng)中沒有純滯后的y變化相現(xiàn)，只是在職響應(yīng)時(shí)間上向后推遲了一個(gè)時(shí)間，因此，圖1.5系統(tǒng)與圖1.3系統(tǒng)相比，控制質(zhì)量要高。這就是說(shuō)，在具有純滯后對(duì)象上加入史密斯補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，控制質(zhì)量會(huì)獲得提高。需要指出的是：在實(shí)際應(yīng)用中為了便于實(shí)施，史密斯補(bǔ)償器是被反向并聯(lián)于控制器

10、，顯然它與圖1.4是等效的。4.2對(duì)象特性測(cè)試首先我們先了解一下建立數(shù)學(xué)模型的方法（1）機(jī)理分析法 （2）響應(yīng)曲線法我們所要用的主要是第二種方法，下面介紹一下它的原理：通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥開度使過(guò)程輸入量發(fā)生階躍變化，將被控變量用記錄儀或其他辦法記錄下來(lái)，然后根據(jù)響應(yīng)曲線求取過(guò)程輸入與輸出之間的關(guān)系。先假定數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)，再確定具體參數(shù)。對(duì)于大多數(shù)過(guò)程來(lái)說(shuō)，?？山瓶闯梢浑A或二階加純滯后， 或者 1. 確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)如圖所示，圖參考p21。當(dāng)，階躍響應(yīng)的曲線斜率最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，則可認(rèn)為此時(shí)是一階環(huán)節(jié)，需要確定及。設(shè)輸入信號(hào)幅值為，由階躍響應(yīng)曲線可定出，于是 通過(guò)t=0這一點(diǎn)作階躍

11、響應(yīng)曲線的切線，交穩(wěn)態(tài)值的漸進(jìn)線于a點(diǎn)，則oa在時(shí)間軸上的投影即為時(shí)間常數(shù)。2. 確定一階加純滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù) 如圖所示，圖參考p21當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在t0時(shí)，斜率為0，隨著t的增加，其斜率逐漸增大；當(dāng)達(dá)到拐點(diǎn)斜率又慢慢減小，可見該曲線的形狀為s形，可以用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似。 確定，的方法如下：在階躍響應(yīng)變化速度最快處（即拐點(diǎn)處）作一切線，交時(shí)間軸于b點(diǎn)，交穩(wěn)態(tài)值的漸近線于a點(diǎn)。ob即為過(guò)程的滯后時(shí)間，ba在時(shí)間軸上的投影bc即為過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。 對(duì)象放大系數(shù)的求取方法同一階環(huán)節(jié)。3. 對(duì)象特性怎么測(cè)？在某一平衡點(diǎn)上，加一階躍變化，在新的平衡點(diǎn)上測(cè)出輸出的變化。孝子號(hào)（1）在控制輸出電

12、流2ma情況下，測(cè)出溫度y1，自然冷卻平衡 ，電源功率 p1，流動(dòng)水帶走的，散熱到空氣中，內(nèi)膽水吸收，溫度為y1。（2）控制電流4ma，測(cè)出溫度y2，自然冷卻平衡電源功率 p2，流動(dòng)水帶走的，散熱到空氣中，內(nèi)膽水吸收，溫度為y2。（3）增益k的確定k=y/x=y2-y1 /（p2-p1）*t/（l*c）=1c： 比熱內(nèi)膽本身滯后 盤管滯后對(duì)象特性(傳遞函數(shù))的獲取:我們此次的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是鍋爐內(nèi)膽循環(huán)水加盤盤管,測(cè)溫點(diǎn)有兩個(gè),一個(gè)為鍋爐出水口,用te101測(cè)試代替,一個(gè)為盤管出水口,用te201測(cè)試，下圖為te201測(cè)試特性測(cè)試加熱絲輸入為0ma加熱絲輸入為4ma,最后平衡。在生產(chǎn)過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)當(dāng)

13、輸入量改變后,過(guò)程的輸出量并不立即跟著響應(yīng),而是要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能作出反映,純滯后時(shí)間就是指在輸入?yún)?shù)變化后,看不到系統(tǒng)對(duì)其響應(yīng)的這段時(shí)間.當(dāng)物流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)度和物流的速度是構(gòu)成純滯后的因素。本實(shí)驗(yàn)是以盤管出水口水溫為系統(tǒng)的被控制量，并要求它等于給定值。鍋爐內(nèi)膽的水以恒定速度流至盤管。設(shè)由鍋爐內(nèi)膽到盤管出水口的管道長(zhǎng)度為l米，熱水的確良流速為v m/s,則內(nèi)膽流出的水要經(jīng)過(guò)秒后才能到達(dá)被控點(diǎn)，其中=l/v(s)。如果忽略熱水在盤管內(nèi)流動(dòng)的熱損耗，則可以近似地把盤管視為一純滯后環(huán)節(jié)，它的傳遞函數(shù)為相應(yīng)的頻率特性為由上式可知，不同大小的值，將對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能

14、產(chǎn)生不同程度的影響。消除純滯后對(duì)系統(tǒng)的不良影響的方法之一是采用smith預(yù)估補(bǔ)償器，但這種方法的有效性是建產(chǎn)在能精確確定對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上。另一種常用的方法是常規(guī)pid控制，只要參數(shù)整定得當(dāng)，也能取得良好的控制效果。4.3實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)圖完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線。2、接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3、給鍋內(nèi)膽注滿水，并把水溫預(yù)熱到期為25度左右（些時(shí)調(diào)節(jié)器為手動(dòng)輸出）4、打開閥hv02、hv07、hv17、hv12、hv06；關(guān)閉閥hv03、hv08、hv09、hv13、hv16。按單回路參數(shù)的整定方法，初步整定pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)。5、當(dāng)鍋爐內(nèi)膽水溫為25度左右時(shí)，把調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換為自動(dòng)，同時(shí)

15、打開手閥，使水以恒定的流速流至盤管出水口。6、根據(jù)上位機(jī)記錄的輸出響應(yīng)曲線，對(duì)pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。7、待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，將給定值改變5%15%（作階躍擾動(dòng)），觀察并記錄輸出量響應(yīng)曲線。第5章 總結(jié)本設(shè)計(jì)主要以plc為核心，利用plc的強(qiáng)大的控制功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的控制。鍋爐溫度控制系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)pid 控制方案很難取得較好的控制效果。本文采用smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂品桨福碚撋峡梢杂行У亟鉀Q了大滯后系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，并具有比較好的控制品質(zhì)。但由于實(shí)驗(yàn)分析，我們實(shí)驗(yàn)室鍋爐并非大純滯后對(duì)象，故在此，pid控制也可以取得好的控制效果。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我受益匪淺，無(wú)論在學(xué)習(xí)還是生活中都保持認(rèn)真的態(tài)度。更重要的是，我更了解了有關(guān)工控組態(tài)技術(shù)和plc計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這個(gè)設(shè)計(jì)，讓我有了能更深刻的了解plc的機(jī)會(huì)。做設(shè)計(jì)就要到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究收集資料，閱讀文獻(xiàn)，分析對(duì)比，設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)都要細(xì)心琢磨，理論和實(shí)踐相結(jié)合，思考的越多，得到越多，不懂的問(wèn)題也就解決了，獨(dú)立工作