滞后控制系统设计

课程设计任务书
摘要
在工业过程中，大滞后系统普遍存在。

论文以一实验用加热装置为研究对象，针对该温度控制系统具有大滞后特点，采用Smith 预估控制器的控制方案。

理论分析该种控制系统与单回路PID 控制相比，具有更优的动态特性。

关键词：大纯滞后； PID；smith 预估
目录
引言 (1)
第1章课程设计基本资料 (2)
1.1软硬件平台 (2)
1.2控制方案 (2)
1.3流程： (3)
第2章内胆加循环水单环定值控制 (4)
第3章纯滞后常规PID控制 (5)
第4章Smith预估补偿控制 (7)
4．1 Smith预估补偿器原理 (7)
4.2对象特性测试 (9)
4.3实验步骤： (12)
第5章总结 (13)
参考文献 (14)
引言
在工业生产过程中，经常由于物料、能量的传输带来时间延迟的问题，即被控对象具有不同程度的纯滞后，不能及时反映系统所承受的扰动。

即使测量信号能到达控制器,执行机构接受信号后立即动作，也需要经过一个滞后时间，才能影响到被控制量，使之受到控制。

这样的过程必然会产生较大的超调量和较长的调节时间，使过渡过程变坏，系统的稳定性降低。

当τ/T 增加时，过程中的相位滞后增加而使超调增大甚至会因为严重超调而出现聚爆、结焦等事故。

我们通常将纯滞后时间与过程的时间常数TP 之比大于0.3的过程认为是具有大滞后的过程[1]。

传统的PID 控制一般不能解决过程控制上的大滞后问题，因此具有大滞后的过程控制被认为是较难的控制问题，成为过程控制研究的热点。

锅炉的炉温控制问题是一个典型的时间滞后问题。

第1章课程设计基本资料
1．1软硬件平台
沈阳理工大学信息科学与工程学院购置的“THJ-3型西门子PLC过程控制系统”是由实验控制对象、实验控制柜及上位监控PC机三部分组成。

它是本公司根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。

本装置结合了当今工业现场过程控制的现状，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。

该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。

沈阳理工大学信息科学与工程学院过程控制实验室其中的一个实验台由夹套锅炉、管道、阀门、水箱、I/O模块、工控机、力控软件等部件组成。

系统中可以测量和控制的量有流量、水压、温度、液位等；具有几个可控的参数：进出水阀门的开度、变频器频率、加热丝功率，可以通过改变它们的控制信号（4~20mA）对其进行控制。

锅炉的出水口到出口温度测量点之间有一段很长的盘管，水流流经该管道造成大约数分钟的时延，用来模拟大滞后系统。

1．2控制方案
(1) 对于T/τ超过0.3~1的大纯滞后系统,采用Smith 预估补偿器,能取得好的控制效果。

(2) 对于T/τ小于0.3的系统,采用常规PID,就能取得好的控制效果。

在生产过程中造成滞后的原因通常有以下三种：
1、传输滞后
2、测量滞后
3、容量滞后
我们本次课程设计所指的也是传输纯滞后，采用常规PID和Smith 预估补偿两种方
法。

1．3流程：
开HV02、HV07、HV17、HV12、HV06
关HV03、HV08、HV09、HV13、HV16
循环水过FV102，从下边进锅炉，通过溢出口流出，为保持液位不变，恒压供水压力恒为24Kpa不变，调节阀保持半开。

溢出水经TE201进入储水箱。

第2章内胆加循环水单环定值控制内胆加循环水单环定值控制响应曲线，测温点为TE101
第3章纯滞后常规PID控制纯滞后常规PID控制(出水口单环，测温点为TE201)数据库组态
控制策略
响应曲线（由于时间紧迫，且调节时间过长，故不能保证调节时间，只能保证稳态误差小天1%）稳态值在42.50与43.69之间波动，满足稳态误差1度的要求！
第4章 Smith 预估补偿控制
4．1 Smith 预估补偿器原理
纯滞后现象通常是传输问题所引起的。

这里所说的纯滞后问题，是指在被控对象上所能检测到的参数是包含纯滞后在内的参数，而不包含纯滞后在内的中间参数是不能检测的。

如果纯滞后环节处在控制系统内，则控制质量会急剧变差，如果能够采取某些方法，将纯滞后环节排除在控制系统之外，则会提高控制系统的控制质量。

假定广义对象的传递函数为：
()()s
O P S S G G e
τ-= （1—1）
式中()S G P 的对象传递函数中不包含纯滞后的那一部分。

这种补偿办法是在广义对象上并联一个分路，设这一分路的传递函数为()S G k ，如图1.1所示：
Y
P
图1.1 纯滞后的补偿原理图
令并联后的等效传递函数为()S G P ，即：
()()()()P P =G S G S =G S K G S + (1—2)
因此,由式(1—2)可得到:
()S G k =()S G P
)1(e s
τ-- (1—3) 上式即是为了消除纯滞后的影响所应采用的补偿器模型。

我们称之为史密斯补偿器。

如果对象有纯滞后,其其递函数为()s
P S G e
τ-，对其构成单回路系统，其方块图如
图.2所示。

如果补偿之后能够将纯滞后环节排除在系统环路之外，就达到了发送控制系
统质量的目的，补偿之后的方块图如图1.3所示。

Y
R
图1.2 有纯滞后系统方框图
图1.3 有纯滞后系统补偿后等效方块图
史密斯补偿器的传递函数前已导出为：()S G k =()S G P )1(e s
τ--
Y
图1.4具有补偿器的单回路系统
R
将史密斯补偿器传递函数代入后，方块图1.4可画成图1.5形式
图1.5 史密斯补偿等效方块图
图1.5是具有纯滞后的对象加上史密斯补偿后构成的单回路系统的等效方块图。

从图1.5不难看出Y 与Y1的变化相同，只是在时间上相差一个时间τ，因此，在给定值R 作阶跃变化时，Y1与Y 在过渡过程形状和系统品质指标方面都完全相同。

再从图1.5所示系统本身来考虑，Y 对系统响应的过渡过程与Y1也是完全相同的，所不同的只是响应时间比Y1向后推迟了一个纯滞后时间τ。

由控制原理可知，系统中没有纯滞后的Y 变化比系统中有纯滞后的Y 的变化要小，控制质量要高。

而图1.5中Y 的变化与系统中没有纯滞后的Y 变化相现，只是在职响应时间上向后推迟了一个时间τ，因此，图1.5系统与图1.3系统相比，控制质量要高。

这就是说，在具有纯滞后对象上加入史密斯补偿环节后，控制质量会获得提高。

需要指出的是：在实际应用中为了便于实施，史密斯补偿器()S G k
是被反向并联于
控制器()S G C
，显然它与图1.4是等效的。

4.2对象特性测试
首先我们先了解一下建立数学模型的方法 （1）机理分析法 （2）响应曲线法
我们所要用的主要是第二种方法，下面介绍一下它的原理：
通过改变调节阀开度使过程输入量发生阶跃变化，将被控变量用记录仪或其他办法记录下来，然后根据响应曲线求取过程输入与输出之间的关系。

先假定数学模型的结构，再确定具体参数。

对于大多数过程来说，常可近似看成一阶或二阶加纯滞后，
()1
s
K G s e
Ts τ-=+
或者
12()(1)(1)
s
K G s e
T s T s τ-=
++
1. 确定一阶环节的特性参数
如图所示，图参考<<过程控制书>>P21。

当0→t ，阶跃响应的曲线斜率最大，然
后逐渐上升到稳态值)(∞y ，则可认为此时是一阶环节，需要确定0K 及0T 。

设输入信号幅值为0x ，由阶跃响应曲线可定出)(∞y ，于是 0
0)
0()(x y y K -∞=
通过t=0这一点作阶跃响应曲线的切线，交稳态值的渐进线于A 点，则OA 在时间轴上的投影即为时间常数0T 。

2. 确定一阶加纯滞后环节的特性参数 如图所示，图参考<<过程控制书>>P21
当阶跃响应曲线在t ＝0时，斜率为0，随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当达到拐点斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可以用一阶惯性加纯滞后环节来近似。

确定0K ，0T ，τ的方法如下：在阶跃响应变化速度最快处（即拐点处）作一切线，交时间轴于B 点，交稳态值的渐近线于A 点。

OB 即为过程的滞后时间，BA 在时间轴上的投影BC 即为过程的时间常数。

对象放大系数0K 的求取方法同一阶环节。

3. 对象特性怎么测？
在某一平衡点上，加一阶跃变化，在新的平衡点上测出输出的变化。

孝子号
（1）在控制输出电流2MA 情况下，测出温度Y1，自然冷却平衡 ，电源功率 P1，流动水带走的，散热到空气中，内胆水吸收，温度为Y1。

（2）控制电流4MA ，测出温度Y2，自然冷却平衡
电源功率 P2，流动水带走的，散热到空气中，内胆水吸收，温度为Y2。

（3）增益K 的确定
K=￡Y/￡X=Y2-Y1 /（（P2-P1）*T/（L*C ））〈=1 C ： 比热
内胆本身滞后 盘管滞后
对象特性(传递函数)的获取:
我们此次的实验对象是锅炉内胆循环水加盘盘管,测温点有两个,一个为锅炉出水口,用
TE101测试代替,一个为盘管出水口,用TE201测试，下图为TE201测试特性测试加热丝输入为0mA
加热丝输入为4mA,最后平衡。

在生产过程中常会出现当输入量改变后,过程的输出量并不立即跟着响应,而是要
经过一段时间后才能作出反映,纯滞后时间就是指在输入参数变化后,看不到系统对其
响应的这段时间.
当物流沿着一条特定的路径传输时,就会出现纯滞后,路径的长度和物流的速度是
构成纯滞后的因素。

本实验是以盘管出水口水温为系统的被控制量，并要求它等于给定值。

锅炉内胆的水以恒定速度流至盘管。

设由锅炉内胆到盘管出水口的管道长度为L米，热水的确良流速为V m/s,则内胆流出的水要经过τ秒后才能到达被控点，其中τ=L/v(s)。

如果忽略热水在盘管内流动的热损耗，则可以近似地把盘管视为一纯滞后环节，它的传
递函数为
()-S
G S=eτ
相应的频率特性为
()-jw
G jw=eτ
由上式可知，不同大小的τ值，将对系统的动态性能产生不同程度的影响。

消除纯滞后对系统的不良影响的方法之一是采用Smith预估补偿器，但这种方法的有效性是建产在能精确确定对象数学模型的基础上。

另一种常用的方法是常规PID控制，只要参数整定得当，也能取得良好的控制效果。

4.3实验步骤：
1、根据图完成实验系统的接线。

2、接通总电源和相关仪表的电源。

3、给锅内胆注满水，并把水温预热到期为25度左右（些时调节器为手动输出）
4、打开阀HV02、HV07、HV17、HV12、HV06；关闭阀HV03、HV08、HV09、HV13、HV16。

按单回路参数的整定方法，初步整定PID调节器的参数。

5、当锅炉内胆水温为25度左右时，把调节器由手动切换为自动，同时打开手阀，
使水以恒定的流速流至盘管出水口。

6、根据上位机记录的输出响应曲线，对PID调节器的参数作进一步修正，以进一步
提高系统的动态性能。

7、待系统进入稳态后，将给定值改变5%~15%（作阶跃扰动），观察并记录输出量
响应曲线。

第5章总结
本设计主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对温度的控制。

锅炉温度控制系统具有大惯性、大滞后的特点，采用传统PID 控制方案很难取得较好的控制效果。

本文采用smith 预估补偿的控制方案，理论上可以有效地解决了大滞后系统带来的不利影响，并具有比较好的控制品质。

但由于实验分析，我们实验室锅炉并非大纯滞后对象，故在此，PID控制也可以取得好的控制效果。

通过本次设计，我受益匪浅，无论在学习还是生活中都保持认真的态度。

更重要的是，我更了解了有关工控组态技术和PLC计算机控制系统。

这个设计，让我有了能更深刻的了解PLC的机会。

做设计就要到现场调查研究收集资料，阅读文献，分析对比，设计计算，对每一个数据都要细心琢磨，理论和实践相结合，思考的越多，得到越多，不懂的问题也就解决了，独立工作能力逐渐增强，业务技术能力逐渐增强。

同时在这里也感谢我的指导老师的帮助和监督，让我在这次课程设计学到了很多。

参考文献
1吴中俊，黄永红可编程序控制器原理及应用机械工业出版社.2004
2孙金根，康代红 PLC课程设计指导书沈阳理工大学信息学院自控教研室. 2011 3黄得先等编著.过程控制系统.北京：清华大学出版社.2011
4 西门子公司. SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册.2002
5刘凤先主编. 现场总线过程控制系统沈阳理工大学信息学院自控教研室.2011。