过程控制课程设计 双容水箱Smith预估控制
过程控制双容水槽课程设计
目录1.选题背景 (2)1.1社会背景及指导思想 (2)1.2设计任务要求 (2)2.被控系统建模 (2)2.1水箱模型的分析 (2)2.2阶跃响应曲线法确定模型参数 (3)3.控制系统的设计和仿真 (7)3.1整定参数 (7)3.1.1整定方法 (7)3.1.2整定步骤 (7)3.2控制系统仿真 (9)3.2.1单回路闭环系统设计 (10)3.2.2串级控制系统设计 (10)3.2.3阶跃响应性能 (11)3.2.4抗扰动能力 (12)4.设计结果及分析 (13)4.1性能指标测定 (13)4.2 PID参数整定规律 (14)5.设计总结 (14)参考文献 (15)1.选题背景1.1社会背景及指导思想在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理、冶金等行业尤为重要。
在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。
双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽。
下水槽水的流出量由用户根据需要改变，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。
1.2设计任务要求综合运用本课程和其他相关知识，运用机理建模法建立双水槽对象的数学模型，分析其动静态特性和影响下水槽液位的主要干扰因素并设计出一液位控制方案，实现液位的准确控制。
最后进行仿真研究。
2.被控系统建模2.1水箱模型的分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到。
CS4000型DDC实验指导书
CS4100高级过程控制实验装置DDC实验指导书目录1.水箱对象系统实验实验一、单容水箱对象特性测试实验 (3)实验二、双容水箱对象特性测试实验 (9)实验三、单容水箱液位PID控制实验 (14)实验四、双容水箱液位PID控制实验 (22)实验五、单回路流量PID控制实验 (26)实验六、流量比值控制实验 (30)实验七、双容水箱液位串级PID控制实验 (37)实验八、前馈反馈控制实验 (42)实验九、双容水箱S MITH预估控制实验 (47)实验十、四水箱解耦控制实验 (52)2.温度对象系统实验实验一、温度特性测试实验 (59)实验二、加热水箱温度二位式控制实验 (65)实验三、短滞后环节温度二位式控制实验 (70)实验四、长滞后环节温度二位式控制实验 (75)实验五、加热水箱温度PID控制实验 (80)实验六、短滞后环节温度PID控制实验 (84)实验七、长滞后环节温度PID控制实验 (88)实验八、温度滞后S MITH预估控制实验 (92)1.水箱对象系统实验实验一、单容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、了解单容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉单容对象动态特性的实验测定法3、掌握单容水箱特性的测定方法二、实验设备1、四水箱实验系统硬件平台2、四水箱实验系统DDC 实验软件3、PC 机（Window XP Professional 操作系统）4、其它：连接线等三、实验原理全面地分析和测定调节对象的特性，是设计一个自动控制系统的首要前提。
一般研究调节对象特性的方法有两种：分析法和实验测定法。
分析法通过分析过程的机理、物料和能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的数学描述；实验测定法通过实验测定，对取得的数据进行加工整理而求得对象的数学模型。
下面分别应用这两种方法对单容对象的动态特性进行分析，并给出单容水箱对象特性的一种实验测定法。
1、单容对象的动态特性及其数学模型以单容水槽水位调节对象为例，分析其动态特性和数学模型。
双容水箱-过控课程设计报告-上海电力_图文(精)
《过程控制系统设计》课程设计报告姓名:学号: XXXXXX 班级: XXXXXXXX 指导老师:设计时间:2014年 1月 11日 ~1月 15日第一部分双容水箱液位串级 PID 控制实物实验时间:同组人:一、实验目的1、进一步熟悉 PID 调节规律2、学习串级 PID 控制系统的组成和原理3、学习串级 PID 控制系统投运和参数整定二、实验原理(画出“ 系统方框图” 和“ 设备连接图”1、实验设备:四水箱实验系统 DDC 实验软件、四水箱实验系统 DDC 实验软件2、原理说明:控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值,这样连接起来的两个控制器称为“串级” 控制器。
两个控制器都有各自的测量输入, 但只有主控制器具有自己独立的设定值, 只有副控制器的输出信号送给被控对象, 这样组成的系统称为串级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图 1所示:图 1 双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量:y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的副变量:y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量主对象:下水箱;副对象:上水箱主控制器:PID 控制器 1,它接受的是主变量的偏差 e1,其输出是去改变副控制器的设定值副控制器:PID 控制器 2,它接受的是副变量的偏差 e2,其输出去控制阀门主回路:若将副回路看成一个以主控制器输出 r2为输入,以副变量 y2为输出的等效环节,则串级系统转化为一个单回路,即主回路。
副回路:处于串级控制系统内部的,由 PID 控制器 2和上水箱组成的回路串级控制系统从总体上看, 仍然是一个定值控制系统, 因此, 主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比, 在结构上从对象中引入一个中间变量(副变量构成了一个回路,因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有:1 副回路的干扰抑制作用:发生在副回路的干扰,在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2 主回路响应速度的改善:副回路的存在,使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小, 从而改善了主回路的相应速度3 鲁棒性的增强:串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4 副回路控制的作用:副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见,串级控制是改善调节过程极为有效的方法,因此得到了广泛的应用。
Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】
b)电流输出，稳定时间为1s
c)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电
DA转换器的电路设计：
(1)参考电压选择+5V，直接与供电电源相连。
(2)选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：
uchar UK0,UK1;//分别为k，k-1时刻的控制器的输出
uchar EK0,EK1;//分别为k,k-1时刻的AD的输入
uint i=0;
uchar in0=0; //系统输入采样
void delay(uchar time)//延时
{
uchar i,j;
for(i=0;i<time;i++)
OE=0;
return value;
}
main()
{
C1K0=C1K1=C1K2=C1K3=C1K4=C1K5=C1K6=C1K7=C1K8 =C1K9=C1K10=C1K11=C1K12=0; //系统初始化
UK0=UK1=0;
CK1=0;
EK1=0;
wr=0;
rd=0;
ST=0;
OE=0;
TMOD=0X01; //定时器0控制方式1,16位的定时器计数器
EK1=EK0;
DAC08=0X58;
TH0=0X9E; //延时50ms
EA=1;
}
六、设计工作总结
采用带Smith预估器控制的设计与传统的PID控制设计相比，大大的减少了响应曲线的超调，同时也加快了系统的响应过程，增加了系统的稳定性，使系统逐渐趋于稳定，达到了预期控制的目的。
{
双容SMITH设计任务书1(1)
+ _
Gc(s)
u (s)
+
广义对象
+
ym (s)
ysm (s)
+ +
Gm ( s )
1 Tf s 1
Gm ( s )e m s
_
+
改进型Smith补偿器
图 3 Smith 预估控制系统框图
由上图可见， ysm s 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。 工作内容及要求: 1、双容水箱对象的原理分析 熟悉四水箱实验系统硬件平台，分析双容水箱控制系统的组成、工作原理、数学 模型的典型形式。 2、双容水箱动态特性及其数学模型的建立 通过实验测量并绘制双容水箱液位的飞升曲线，计算双容水箱数学模型并分析其 特性。 3、双容水箱改进型 Smith 预估液位控制设计及仿真研究 建立改进型 Smith 预估液位控制系统的控制结构，确定放大系数、时间常数、滞 后时间和滤波时间并在 matlab 环境下进行仿真研究，得到较为满意的结果。 4、控制策略实现 将设计的控制策略在 CS4000 DDC 实验系统下进行实验。阀门开度信号做阶跃变 化时，绘制输出液位趋势曲线，分析系统的控制性能，计算在较佳控制参数下的超调 量、过渡时间和衰减比等特性参数，讨论 Smith 控制器参数对控制效果的影响，讨论 系统的抗扰性能。 设计成果要求： 1、完成所有设计内容：包括双容水箱系统组成原理分析、液位对象数学建模、 改进型 Smith 预估控制原理的分析、改进型 Smith 预估液位控制策略设计及仿真研究、 CS4000 实验系统控制策略实现等。
Gp s
K e s Ts 1
双容水箱液位控制系统设计与实现34页PPT
采用控制变量法，在测定某一列两个元素过程中，相应水箱入水流 量阶跃变化而另一个水箱的入水流量保持不变，从而得到液位变化曲 线
W 11 ( s )与W21 (s)的辨识
利用控制变量法，首先辨识矩阵中第一列的两个元素，即：在保证 水泵输入电压PWM占空比不变情况下，改变电磁阀开度得到液位变 化曲线.
‒MATLAB/Simulink
利用MATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制
2.被控对象与控制器设计模型 2.1 控制系统与被控对象组成
2.2 被控对象模型
被控对象组成
被控对象模型是从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液 位的过程，包括三部分：
1. 水泵PWM占空比 u 2 到总流量 Q in 2.电磁阀开度 u 1 到一号水箱入水流量 Q in 1 3.各流量到双容水箱液位 y 1 和 y 2
软件平台
‒EasyControl 控制软件平台
特点： 1. 用于开放式结构的快速控制原型开发、 硬件样机在线测试，有效地缩短开发周 期，保证系统柔性； 2. 由于可以采用实时在线测试，应用于 难以建立精确数学模型的系统，可以降 低建模和控制器设计的难度； 3. 与MATLAB系统的无缝集成，便于 开发者使用MATLAB中的各种先进算法； 4. 该软件通过与TCP/IP网络的集成性， 可应用于网络控制，远程设置控制方案， 便于调试和升级。
Qin1
2号流量计
u1
比例阀门
Qin2
2号进水阀
A1
1号水箱
H1
1号泄水阀
Qout1
Q0
基于斯密斯PID的双容水箱控制
摘要当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。
反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。
测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。
反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。
目前大部分控制方法都需要建立比较精确的数学模型，但双容水箱控制系统内参数变化的非线性特性使建立的模型精度受到一定的影响；而模糊控制技术不需要建立精确地数学模型，解决多变量非线性系统具有明显的优点。
为此，针对双容水箱控制系统的多变量、非线性和难建模等特性，将模糊控制与PID控制的优势相结合，实现了对双容水箱控制系统参数的有效控制。
该系统的各项性能指标良好，遇到干扰可以进行自我调整，具有一定的自适应性。
本文是针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。
首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。
最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。
同时，在MATLAB下，利用Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对系统的稳定性、反应速度等各指标进行分析。
关键词：双容水箱控制系统；模糊控制；PID控制AbstractToday's automatic control technology most part is based on feedback. Feedback theory includes three basic elements: measurement, comparison and execution. Measurement is concerned with the variable, and compared with expectations, in order to correct deviation and adjust control system response. Feedback theory and its application in automatic control of the key is: make the correct measurement and comparison, the deviation of the system used for how corrective and regulation.Now most of the control method need to build more accurate mathematical model, but double let water tank control system parameters changes within the non-linear characteristics make the model accuracy by certain influence; And the fuzzy control technology does not need to build an accurate mathematical model and solve the multivariable nonlinear system has obvious advantages. Therefore, in view of the double let water tank of multivariable control system, nonlinear and difficult modeling features, the fuzzy control with PID control superiority, and the combination of realized on the double let water tank control system to effectively control the parameters.This paper is aimed at double let water tank delay system, PID method to control. First of PID control of the parameters in the role of analysis, the root trajectory correction, Byrd figure correction method, the system calibration. At last, we used to adjust the system of fuzzy PID control of the control method, the second order system is controlled. At the same time, in the MATLAB, the use of Fuzzy toolbox and Simulink tool, the stability of the system, the reaction speed and so on various indicators analyzed.Keywords: double let water tank control system; Fuzzy control; PID control第一章 PID控制原理1.1 PID的概念PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的应用。
自动控制课程设计双容水箱液位串级控制
自动控制课程设计课程名称：双容水箱液位串级控制学院：机电与汽车工程学院专业：电气工程与自动化学号：631224060430姓名：颜馨指导老师：李斌、张霞2014/12/30目录纲要.......................................................... (2)1前言.......................................................... (2)2对象剖析和液位控制系统的成立 (2)水箱模型剖析 (2)阶跃响应曲线法成立模型 (3)控制系统选择 (3)【2】3控制系统性能指标.............................................方案设计.......................................................4串级控制系统设计 (4)被控参数的选择 (4)控制参数的选择 (5)主副回路设计 (5)控制器的选择 (5)3PID控制算6法...............................................................PID算法 (6)PID控制器各校订环节的作用 (6)4系统仿真............................................ (7)系统构造图及阶跃响应曲线 (7)PID初步伐整 (10)PID不一样参数响应曲线 (12)系统阶跃响应输出曲线 (17)5加有扰乱信号的系统参数调整 (20)6心得领会..................................................................227参照文件..................................................................22纲要液位控制是工业生产以致平时生活中常有的控制，比方锅炉液位，水箱液位等。
过程控制实验装置的双容液位控制系统设计
摘要双容水箱液位控制系统广泛应用于食品生产、工业化工等各个领域。
双容液位控制系统具有非时变、滞后等特点，根据这一特点，分别应用了PID控制、模糊控制等控制策略。
基于对过程控制实验装置的了解，建立了过程实验装置与西门子PLC的硬件连接。
然后，基于PLC实现了过程实验装置双容液位控制系统的设计，并对实验结果进行了对比分析。
在此基础上，基于OPC接口技术，建立西门子PLC与MATLAB 软件的数据通讯。
进而，采用模糊控制算法应用MATLAB软件中的模糊控制工具箱，实现了对过程实验装置双容液位的控制。
最后，对实验结果进行了对比分析，得出了模糊控制算法在双容液位控制系统中应用的优点。
关键词：双容液位；PLC；PID控制；模糊控制Process control device of Liquid Level Control System DesignABSTRACTTwin-tank water level control system is widely used in various fields such as food production, industrial chemicals. Liquid Level control system with a non-time-varying characteristics of the lag, according to this feature, each application of the PID control, fuzzy control and other control strategies.Based on the process control device of understanding, the course of the experiment apparatus connected to a Siemens PLC hardware. Then, based on PLC achieved during experimental apparatus Liquid Level Control System, and the experimental results were compared and analyzed. On this basis, based on the OPC interface technology, establish data communication Siemens PLC with MATLAB software. Furthermore, the use of the experimental device for Liquid Level Process Control Fuzzy Control MATLAB software fuzzy control toolbox achieved. Finally, the experimental results were compared and analyzed, we obtained advantages of fuzzy control algorithm in Liquid Level Control System.Key Words：Liquid Level; PLC; PID Control; Fuzzy Control目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1选题的背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1过程控制系统研究现状 (2)1.2.2双容液位控制概论 (3)1.2.3模糊控制研究现状 (4)1.3本文研究内容 (5)第2章过程实验装置的双容液位系统 (6)2.1装置介绍 (6)2.2对象特性分析 (9)2.3控制需求分析 (9)第3章过程实验装置的双容液位控制系统设计 (11)3.1 控制系统设计 (11)3.2 基于PLC的双容液位控制 (12)3.2.1PLC控制程序 (13)3.2.2PID参数整定 (15)3.2.3 传递函数的求解与OPC的连接 (15)3.3 实验结果分析 (22)3.4小结 (25)第4章基于PID的Matlab和模糊控制仿真 (27)4.1数据通讯系统 (27)4.2基于 PID控制器的模糊控制系统设计 (29)4.2.1模糊控制器的编写 (29)4.2.2模糊控制器的编写 (30)4.2.3模糊控制仿真设计 (37)4.3实验结果对比分析 (40)第5章总结 (44)参考文献 (45)附录A 附录内容名称 (46)致谢 (49)第1章绪论1.1选题的背景及意义双容水箱在工业生产过程中极其常见，是工业生产常用的控制设备之一。
基于smith预估补偿的双容器液位控制系统方案
Shanghai Maritime University课程设计课程名称：计算机控制系统姓名：班级：学号：专业:电气工程及其自动化目录1.双容过程************************************************41.1两容器液位控制模型1.2 水箱模型分析2. PID控制************************************************43. smith预估补偿设计**************************************5 3.1史密斯补偿原理3.2 史密斯预估器的计算机实现4. 控制系统设计及仿真*************************************75.模控制设计********************************************86.方法比较************************************************97.小结***************************************************13前言本文主要是对双容器液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、smith预估、模控制等一系列的知识。
作为双容水箱液位的控制系统，其模型为带纯滞后的二阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。
选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。
基于PID+smith预估和模控制的两容器液位控制系统设计一、双容过程双容过程是过程控制中重要模型，它是由两只水箱串联工作组成。
双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。
通过液位的检测与控制从而调节容器的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
Smith预估控制
东南大学能源与环境学院实验报告课程名称：计算机控制及系统实验名称：Smith预估控制院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：学号：0301110实验室：金智楼实验时间：2014 年04月07 日评定成绩：审阅教师：一 实验目的通过实验掌握Smith 预估控制的方法及程序编制及调试。
二 实验内容１． Smith 预估控制系统如图所示，对象G(S)= K ·e-τs/ (1+T 1S),K = 1, T1 = 10 s , τ = 5 s ,Wc(z)采用数字PI 控制规律。
２．对象扰动实验画出U(t) = u0·1(t)时，y(t)曲线。
３．Smith 预估控制(1) 构造W τ(S)，求出W τ(Z)。
(2) 整定Wc(s)(按什么整定？) (3) 按图仿真，并打印曲线。
（4） 改变W τ(S)中K ，τ（对象不变），进行仿真比较，观察它们对调节 过程的影响。
三 实验步骤 1.拟订实验方案（1）、对象扰动实验,G(S)离散化，采用后向差分1()()()(1)sY s K e G s U s T s τ-•==+ 令 11z s T --= 则有：y(k)u(k)=K ∙e −τTlnz 1+T1T(1−Z −1)整理得：11()(1)()TKu k N T y k y k T T -+-=+ 其中 N Tτ=#include<iostream.h>#include<math.h> #include<iomanip.h>#include<fstream.h>void main(){ofstream ofile("d:\\21.xls");ofile<<"T"<<'\t'<<"u[k]"<<'\t'<<"y[k]"<<'\n';double u0,T,T1=10,a,b,t=5,k=1;double u[100],y[100];int N,i;cout<<"输入采样周期T:\n";cin>>T;cout<<"输入扰动阶跃值u0:\n";cin>>u0;a=exp(-T/T1);b=k*(1-a);N=int(t/T);cout<<'\n';cout<<"T"<<'\t'<<"u[k]"<<'\t'<<"y[k]"<<'\n';cout<<'\n';cout<<0<<'\t'<<0<<'\t'<<0<<'\t'<<'\n';for(i=0;i<100;i++){if(i==0)u[i]=0;elseu[i]=u0*1;if(i<=(N+1))y[i]=0;elsey[i]=b*u[i-(N+1)]+a*y[i-1];ofile<<i*T<<'\t'<<u[i]<<'\t'<<y[i]<<'\n';cout<<i*T<<'\t'<<u[i]<<'\t'<<y[i]<<'\n';}ofile.close();}（2）、Smith 预估控制按照Smith 的控制，构造1(1)()(1)(1)Ts s t K e W s e s T s τ---=-+对其离散化得：1111()(1)1Nt b z W z z a z---=-- 其中 11TT a e -=， 11(1)b K a =- N Tτ≈取整数。
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预估控制班级姓名学号指导老师日期大学信息工程学院目录一、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)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。
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：2、PC机（Windows 2000 Professional 操作系统）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：()ss τ-= G （19－1）2、 Smith 预估算法设一个控制系统，对象特性为：()ss P P PC G G τ-=（19－2）这里将对象分成两部分P G 和sP τ-，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改善。
Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】资料
AD转换器的电路设计：
图7ADC0809转换器电路设计
(1)由于只需要一路信号，只选择IN-0输入，三根地址线固定接地，选择IN-0通道。
(2)由于ADC0809需要500KHz的时钟源，利用单片机AT89S52的ALE引脚输出的脉冲信号其频率为单片机工作晶振的六分之一，此处单片机采用12MHz的晶振，则需经过4分频后供给ADC0809的CLK端。
=1.15 =2.00
所以有： 0.048 12.00s
则控制器的传递函数为：
（2）
将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：
（3）
3.Smith补偿器 的确定
Smith纯滞后补偿的计算机控制系统的框图如下所示：
图3带Smith纯滞后补偿的计算机控制系统框图
其中：
（4）
（5）
（6）
令 ，
则
（7）
二、实验内容
被控对象为 ，T=0.5s，画出系统框图，采用PID控制，设计Smith数字预估器。得到控制系统的性能曲线，并对仿真结果进行分析。然后对元器件进行选型、设计电路，绘制原理图并且在单片机上编程实现控制算法。最后总结工作及心得体会。
三、控制系统仿真
1.纯滞后补偿控制方案设计
已知纯滞后负反馈控制系统方框图，如下：
4.采用Matlab系统仿真
本系统采用PI控制方法，用matlab下的Simulink工具箱搭建闭环系统结构，加以1V的阶跃信号，PI控制器系数 0.048， 12s，取反馈系数为1，采样时间为0.5s，仿真时间为500s。
带Smith预估补偿器的仿真系统得到输出曲线如图所示：
毕业设计：双容水箱系统的建模、仿真与控制
毕业设计：双容水箱系统的建模、仿真与控制自动控制毕业设计双容水箱系统的建模、仿真与控制2015年 7月23日摘要自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》的配套实践环节，对于深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义。
本次课程设计以过程控制实验室双容水箱系统作为研究对象，开展了机理建模、实验建模、系统模拟、控制系统分析与综合、控制系统仿真等多方面的工作。
课程设计过程中，首先进行了任务I即经典控制部分的工作，主要从系统模型辨识、采集卡采集、PID算法的控制、串联校正进行性能指标的优化、滞后控制等方面进行了设计。
然后，又进行了任务II即现代控制部分的工作，主要从系统模型的串并联实现、能控能观标准型实现、状态反馈设计、状态观测器设计、降维观测器设计等方面进行了深入的研究。
最后选做部分单级倒立摆的内容，并对整个课程设计做了总结。
关键词：自动控制；课程设计；PID控制；根轨迹；极点配置；MATLAB；数据采集；经典控制；现代控制。
第1章引言1.1 课程设计的意义与目的自动控制课程设计是自动化专业基础课程《自动控制原理》和《现代控制理论》的配套实践环节，对于深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义。
在平时的学习中，我们只是停留在理论学习的层面上，对一些知识点没有直观深刻的了解。
通过这次课程设计，我们能够对之前学过的知识进行更进一步的理解与应用，我们之前学过的知识得到巩固。
不仅如此，对于我们进行软件仿真和编写程序同样具有很好的指引作用，锻炼了我们这方面的能力。
总之，本次课程设计对于我们深入理解经典控制理论和现代控制理论中的概念、原理和方法具有重要意义，本次课程设计涉及了《自动控制原理》、《现代控制理论》、《控制系统仿真》、《系统辨识》等课程内容，将本专业的各项内容有机融合在了一起，增加了我们的专业知识的储备，提高了我们的学习能力。
1.2 课程设计的主要内容任务I 经典控制部分二阶水箱液位对象机理模型的建立；通过实验方法辨识系统的数学模型的建立；二阶水箱系统的物理模拟；数据采集卡与数据通讯；开环对象特性测试；比例系数变换对系统闭环性能的影响；比例积分控制器对控制性能的影响；PID控制器对控制性能的影响；串联校正环节的设计与分析；采样周期影响分析、滞后系统控制性能分析；任务Ⅱ现代控制部分状态空间模型模型的建立、分析；状态反馈控制器的设计；状态观测器的设计；基于状态观测的反馈控制器设计；1.3 课程设计的团队分工说明我们团队选取了16号水箱装置进行分析设计，具体分工如下所示。
双容水箱液位串级控制系统课程设计完整版
双容水箱液位串级控制系统课程设计HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】双容水箱液位串级控制系统课程设计1. 设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2. 设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。
试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。
图1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求1） 已知上下水箱的传递函数分别为：111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+，22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+。
要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为的白噪声）；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。
4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。
在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q ；被控量：下水箱液位；控制对象特性：111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+（上水箱传递函数）；22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+（下水箱传递函数）。
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过程控制课程设计---双容水箱Smith预估控制班级姓名学号指导老师日期扬州大学信息工程学院目录一、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)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。
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：2、PC机（Windows 2000 Professional 操作系统）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：()ss τ-=λG （19－1）2、 Smith 预估算法设一个控制系统，对象特性为：()ss P P PC G G τ-=λ（19－2）这里将对象分成两部分P G 和sP τ-λ，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：D (s)图 19－2本仿真系统的Smith预估控制系统框图由上图可见，()sy为对象的无滞后预估输出，其中此控制器加入了sm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AI0AI1AI2AI3A01DDC控制+ -+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-AI4AI5AI6AI7AO0+-AO3+-AO2+-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：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Tfb、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：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＝1I＝60D＝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：加Smith预估后，波形如下：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。