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

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

、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。

a. A W'taL«決義吐3

戏氏本聊. jnUh Tfht

JQG5-1-4

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,

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：

(19—1)

2、Smith预估算法

设一个控制系统，对象特性为:

G pc s G p ps

这里将对象分成两部分G P和p s，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：

(19—2)

图19 —2本仿真系统的Smith预估控制系统框图

由上图可见，y s m 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。

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

DD控制

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:

2、进入Smith实验界面

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Tf

b、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= 1

I = 60

D = 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