自动化课程设计.doc

- 20 -液位控制控制系统设计 -单回路控制+Smith预估控制摘 要 在多数工业过程当中,控制对象普遍存在纯时间滞后的现象,如化工、热工过程等. 这种滞后时间的存在,对系统的控制是极为不利的,严重时甚至会破坏系统的稳定性. 滞后时间与系统时间常数的比值越大,其对系统性能的影响也就越大.因此长期以来,纯滞后系统就一直是工业过程中的难控制系统,人们也对它进行了大量的研究. 对于纯滞后系统,常用的控制方法主要是PID 控制和Smith 预估算法. Smith 预估控制对于大时滞系统具有良好的控制作用, 它在估计对象动态特性的基础上, 用一个预估模型进行补偿, 从而得到一个没有时滞的被调节量反馈到控制器。Smith预估控制最大的优点是将时滞环节移到了闭环之外, 最大的缺点是过分依赖精确的数学模型。关键词: 纯滞后,Smith预估控制，PID控制，液位控制目 录摘要I一引言11.1 设计的目的11.2 设计的意义1二课程设计任务及要求1 21 设计的内容1 22 主要的任务1三双容水箱控制系统3.1 控制实验装置23.2 系统的结构23.2.1 系统的硬件组成23.2.2 系统的软件组成33.3 计算机编程43.4 双容水箱控制系统模型的建立73.4.1 用飞升曲线的方法来测定双容水箱的对象特性73.4.2 二阶串接双容水箱液位PID参数整定实验93.4.3 Smith预估控制系统 12四 结论五 使用仪器设备清单六 收获、体会和建议七 参考文献一引言1.设计的目的：时滞的存在严重影响了系统的控制效果和稳定性,导致系统的超调变大,调节时间变长,甚至出现震荡和发散,系统的动态品质大大下降。本设计旨在运用单回路控制和smith预估补偿原理控制双容水箱液位，克服系统纯滞后所带来的不利影响。2设计的意义：使我们了解了如何具体的设计一个系统，对PID参数的调整有了更深刻的理解，并且懂得了smith预估补偿的原理，对控制系统的设计有了大概认识，培养了我们的动手能力。二课程设计任务及要求1. 设计的内容：系统的软件和硬件组成及PID控制器和smith预估补偿器2. 主要的任务：(一) 熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应(二) 根据有实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性(三) 熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理(四) 研究系统分别用P、PI、PD、和PID控制器时的控制特(五) 加Smith预估控制之后的控制特性二双容水箱控制系统1.控制实验装置双容水箱对象特性仿真实验是基于由浙江中控教学仪器厂出品的CS4000型过程控制实验装置如图所示 系统提供一组4个有机玻璃水箱,即右边的4个水箱,每个水箱装有液位变送器;通过阀门切换,任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱.本设计选用图1中的1#水箱(左上水箱)和3#水箱(左下水箱)进行阶跃响应实验,来获取双容水箱的对象特性2.系统的结构：（1） 系统的硬件组成:本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的液位h1和h2 作为被控量。水箱里液位的变化,由压力传感器转换成420mA 的标准电信号,在由IPO 接口的APD转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。经计算机算出的控制量通过DPA 转换成15V 的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱加水来控制水箱里的液位高度。本实验系统的硬件部分主要由:双容水箱(控制对象) 、不锈钢泵P1 和P2 、调节阀U1 和U2 、液位传感器、功率放大器、计算机、PC26313 多功能模入模出接口卡(A/D、D/A 转换) 和IPO 接口等环节组成。整个系统的硬件框图如图示（2）系统的软件组成S7300PLC，winCC软件双容水箱控制系统模型的建立被测对象由两个不同容积的数学水箱串联组成, 故称其为双容对象。双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积, 即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述： K为双容水箱的放大系数，T为时间常数，为时间滞后常数三计算机程序编程1.对象特性：下水箱液位原始数据从AI1通道输入,经转化后寄存在MD24中,供上位机使用.手动控制信号从MD30输入,经转化后,由AO0通道输出.SY2: L IW 2 T MW 20 /信号从AI0装载到MW20. CALL SCALE /调用SCALE程序块,把信号转化为0100 cm的液位信号. IN :=MW20 HI_LIM :=3.000000e+001 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=MW22 OUT :=MD24 CALL UNSCALE /调用UNSCALE程序块,把0100%的控制信号转化为16位数据. IN :=MD30 HI_LIM :=1.000000e+002 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=MW34 OUT :=MW36 L MW 36 T QW 0 /把已转化的控制信号数据装载到AO0,并输出. JU END2.PID参数整定：SY5: L IW 2 T MW 20 /信号从AI0装载到MW20. CALL SCALE /调用SCALE程序块,把信号转化为0100 cm的液位信号. IN :=MW20 HI_LIM :=3.000000e+001 LO_LIM :=0.000000e+000 BIPOLAR:=FALSE RET_VAL:=MW22 OUT :=MD24 CALL CONT_C , DB41 COM_RST := MAN_ON := PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL :=TRUE CYCLE := SP_INT :=MD224 PV_IN :=MD24 PV_PER := MAN :=MD410 GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC := PV_OFF := LMN_FAC := LMN_OFF := I_ITLVAL:= DISV := LMN :=MD228 LMN_PER :=QW0 QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV :=MD220 ER := AN DB41.DBX 0.1 JNB SD5 L DB41.DBD 72 T DB41.DBD 16 JNB A5SD5: L DB41.DBD 16 T DB41.DBD 72A5: JU END三双容水箱控制系统模型的建立1.飞升曲线的方法来测定双容水箱的对象特性： 启动系统，打开阀门至适当开度，手动档。先使得水箱达到自平衡，3号水箱的液位控制在2cm4cm。然后给电动调节阀的开度阶越变化10，观察液位变化，系统达到稳态时记录曲线，计算数据。 由于，故此二阶环节可近似为一阶惯性环节：求得故二阶双容水箱下水箱对象特性为：故二阶双容水箱下水箱对象特性为：获得对象参数后我们对二阶串接双容水箱进行PID参数整定与smith预估进行控制效果比较。2.二阶串接双容水箱液位PID参数整定实验：A连接设备：打开主泵的支路至上水箱的所有阀门，关闭支路上通往其它对象的切换阀门。选择1号水箱，打开V1，V4，V13，关闭其他阀门。打开3号水箱泄水阀V31和1号水箱泄水阀V10，开至适当的开度，且实验时禁止改变开度，关闭上下耦合阀V32，V41和水平耦合阀。控制台上将“左下水箱液位信号”（15V）连接到PLC的模拟输入模块1的AI1端口，将PLC得模拟输入模块1的AI1端口，将PLC的模拟量输出的AO0通道信号（420mA）连接到“控制阀开度”端子上，连接时正确连接正负极性。B启动实验装置1) 打开电源带漏电保护开关。2) 电源指示灯点亮，即可开启电源。3) 打开检验电源，主回路泵电源和电动控制阀电源。4) 开启控制台上24V/S7-300PLC电源开关，将PLC置于运行。C实验步骤1) 启动计算机WinCC组态软件，调出已输入二阶串接双容水箱液位PID参数整定实验相应程序的实验界面。2) 按下“手动”按钮，使控制器处于开环状态。手动调整被控制到给定值。3) 观察计算机显示屏的曲线，待被控量基本稳定于给定值后，即可将控制器由“手动”位置切换到“自动”状态，使系统变为闭环控制运行。4) 待系统的输出趋于平衡不变后，加入阶跃扰动信号。注意观察PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。取不同PID参数，进行控制效果比较，如图示：时间020100180240300PID控制参数P202020103020I (s)100002000010000100001000010000D(s)300030005000300030002000比例控制实验及其曲线：PID控制及其曲线仿真曲线：比例控制仿真曲线PID控制仿真曲线3.Smith 预估控制系统带有纯延迟的单回路控制系统如图1 所示,其闭环传递函数为其特征方程式为 可见特征方程中出现了纯延迟环节,使系统稳定性降低,如果足够大,系统将不稳定,这就是大滞后过程难以控制的本质. 而e -s 之所以在特征方程式中出现,是由于反馈信号是从系统的a点引出来的,若能将反馈信号从b 点引出,则可把纯延迟环节移到控制回路的外边,经过的延迟时间后,被调量Y 将重复同样的变化. 由于反馈信号x 没有延迟,系统响应会大大的改善,但在实际系统中, b 点或不存在,或受物理条件的限制而无法从b 点引出反馈信号. 针对这种问题,Smith 在1957 年提出了一种预估补偿控制方案,如图2 所示,其补偿后的闭环传递函数为,式中Y ( s) 为被控制量, R ( s) 为设定值,为对象的延迟时间, Gc ( s) 为控制器传递函数. 从上式可以看出,此时系统特征方程中不包含e-s ,因此Smith 预估控制可以消除纯滞后对系统动态特性的影响,在给定值变化时,输出响应与过程纯滞后环节的情况相比仅在时间坐标上推迟了时间,即系统消除了纯滞后对系统控制品质的影响。实验装置图：比例控制+Smith预估补偿控制仿真曲线PID控制+Smith预估补偿控制仿真曲线分析PID控制和smith预估控制的系统响应曲线，我们不难看出，单独的PID控制大滞后系统比较困难，超调量较大，达到稳态时间很长且往往很难达到稳定，总是在设定值附近来回振荡，控制效果不好。相反smith预估控制能很好的解决动态和静态问题使我们有较为满意的控制效果，这说明了smith预估控制对大滞后系统有良好的控制效果四、结论 本文研究了双容液位控制系统的建模及smith预估补偿器的实现。实验表明PID参数的整定对时滞过程具有较好的控制效果,但对于大时滞系统该方法显得力不从心。而Smith预估器对于时滞系统发挥了很大的作用,由于预估器对时滞进行了补偿,使调节器提前动作,来抵消时滞所造成的影响. 但是一旦对象的模型参数波动,或有外来扰动的影响,则Smith预估器就不能达到较好的调节效果。而在实际的工业现场中往往很难获得控制对象的精确模型，所以smith预估算法难以获得良好的控制效果，这就给我们提出了要采取更好的控制方法。 相对而言,Dahlin算法的稳定性和鲁棒性比较好,在模型失配时也能够进行有效地控制,只是振荡过程要长一些. 而将Dahlin 算法和Smith 预估算法相结合的Dahlin- Smith 算法对大时间滞后系统的控制效果比较理想,在模型匹配时,能够保持一定的动态性能(虽然不是最理想的) ;而在模型失配时则能够快速地使系统收敛. IMC - Smith 算法与Dahlin -Smith 算法类似,只是其振荡幅度要稍大些. 这两种算法由于均在反馈信息中包含了模型失配的信息,然后通过控制器进行调节,因此相对于其他算法其鲁棒性能大大增强. 或者我们可以选择基于神经网络的Smith预测控制。神经网络通过自学习对被控对象的输出进行实时的辨识,并以此构造Smith预估器对输出进行多步预测。并将预测误差提供给基于不完全微分的单神经元自适应P ID进行训练和控制,从而实现对被控制对象的实时无时滞控制。基于不完全微分P ID控制器的神经网络预测控制具有较强的自适应能力,适应能力大大超过了P ID控制性能,具有良好的控制效果。 随着以基础自动化为特征的工业化向着以先进自动化为核心的信息化演进, 同时由于被控对象日益规模化、多元化、网络化, 传统的以电子控制器为主要实现方式的经典控制已经不可避免地在一定程度上让位于现代控制与先进控制, 分数系统的研究也必须要找到合适的切入点广泛地进入MIMO 系统、辨识、自适应控制为核心的现代控制领域; 进而涉及以自学习、自适应、自组织为特性的智能控制领域和分析不确定复杂环境下系统稳定度的鲁棒控制领域。五使用仪器设备清单（1）西门子S7300PLC（2）双回路温度控制箱（3）SSR固态继电器（4）CS4000过程控制实验装置（5）WinCC软件（6）计算机六 收获、体会和建议 通过这次课程设计实验，我组同学付出3周的辛苦和努力，较好的解决了单回路+Simth预估控制实验中的各种问题，提高了手动和思维能力，并对以前的知识有了系统的总结和深刻的理解。感谢老师和学校提供的这个难得的机会，使我们有机会将课堂上所学习的知识融入到实践实验中。我们对PLC的操控和编程理解也有了各自的深刻感悟。这有助于我们在未来的