过程控制专业课程设计双容水箱Smith预估控制.doc

过程控制课程设计
---双容水箱Smith预估控制

班 级
姓 名
学 号
指引教师
日 期

扬州大学信息工程学院

目 录

一、课程设计意义和目..................2
二、课程设计设备........................2
三、课程设计原理........................4
四、课程设计环节........................6
五、注意事项............................8
六、实验成果............................8
七、心得体会............................11
八、参照文献............................12

一、课程设计意义和目
1、 理解纯滞后过程及其影响
2、 学习smith控制原理
3、 掌握smith控制器整定办法
二、课程设计设备
1、 四水箱实验系统DDC实验软件
软件功能阐明：四水箱DDC实验软件核心调度程序实现了数据采集和输出、数据实时记录以及实时监控。同步，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和谐人机交互界面，涉及：首页界面、实验界面、控制器界面、趋势界面和I/O设立界面。通过这些和谐界面，学生可以在过程控制实验装置实现典型和先进控制方案。

如上图所示，首页界面为整个软件导航界面，当软件对的安装并正常启动后，将进入此画面，

其重要功能有：
功能
功能阐明
选取实验模式
本软件有两种实验模式供选取：仿真和实际模式
选取实验
本软件有水箱对象系统和温度对象系统两类实验，共18个供学生选取
仿真模型接口
提供进入设立仿真模型界面接口，此功能只有在仿真模式下有效
输入信号接口
提供进入设立输入信号界面接口，此功能只有在实际模式下有效
历史趋势接口
提供进入查看历史趋势接口
本软件信息接口
提供进入查看本软件信息界面接口
结束本软件
退出整个软件，回到Window桌面

2、 PC机（Windows Professional 操作系统）

三、课程设计原理
1、 纯滞后过程
某些过程在输入量变化后，输出变量并不及时变化，而要通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这段时间。
当物质或能量沿着一条特定途径传播时就会浮现纯滞后，途径长度和运动速度是决定纯滞后大小两个因素。纯滞后环节对任何信号响应都是把它推迟一段时间，其大小等于纯滞后时间，纯滞后环节数学描述为：
（19－1）
2、 Smith预估算法
设一种控制系统，对象特性为：
（19－2）
这里将对象提成两某些和，设这两某些之间有变量B，如果能将B检测出来，则可以按下图构造简朴反馈控制系统

图 19－1 抱负纯滞后过程单回路控制
如上图所示，由于B信号没有滞后，因此系统响应将会大大地改进。然而由于B是不能直接检测，只有用过程模型才干将它推算出来。
Smith预估器实质是借助于过程模型推算出滞后环节前输出，以实现没有纯滞后反馈控制。
本仿真系统采用了改进型Smith预估控制器，其构成控制系统如下图所示：

图 19－2本仿真系统Smith预估控制系统框图
由上图可见，为对象无滞后预估输出，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滤波解决。
3、 Smith控制器整定
从本仿真系统Smith预估控制系统框图可以看出，此改进型Smith预估器参数整定重要涉及对象模型参数获得，因而其整定环节如下：
A 获得对象数学模型
用飞升曲线法，测得被控对象特性曲线，然后通过度析曲线特性获得对象数学模型。
B 将模型参数作为Smith控制器参数
C 依照实际控制效果，调节参数，直至达到较佳控制效果

四、课程设计环节
1、按下图接线

2、 进入Smith实验界面
运营四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选取实验模式为“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、 选取控制回路
A、 选取对象
在实验界面“请选取控制回路”选取框中选取控制回路，如下图所示：

从两个回路中任选一种。
B、 构成控制回路
当选取“Smith回路1”时，打开进水阀K31，关闭其他进水阀；
当选取“Smith回路2”时，打开进水阀K41，关闭其他进水阀。
4、 初始化控制系统
i. 将PID控制器设立成手动
单击实验界面相应控制回路PID控制器标签弹出PID控制器界面后，单击PID控制器界面“手动”按钮
ii. 设定工作点
设立控制器输出MV（U1）
5、 设立PID控制器参数
依照对象特性，设立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立界面中，详细参见前面实验
6、 设立Smith控制器参数
a、 按实验原理某些描述办法，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Smith控制器，弹出Smith控制器界面，然后单击Smith控制器界面“参数设立”按钮，弹出Smith控制器参数设立界面，如下图所示：

通过键盘，输入模型参数
7、 PID控制器投入运营
将PID控制器设立成自动，单击PID控制器“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
依照趋势曲线，恰当修改PID控制器参数，以达到较佳控制效果
9、 成果分析
依照记录实验数据，分析Smith预估器预估效果，将其与双容水箱液位PID控制器效果相比较，并分析之。

五、注意事项
四水箱实验系统DDC实验软件使用时，保证文献“四容水箱系统数据库”不在使用。
六、实验成果
依照对象特性，设立PID控制器参数，记录如下：
P＝1
I＝60
D＝6
设立Smith控制器参数
按实验原理某些描述办法，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备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特点。可见，对其研究有一定意义。仿真成果也表白，Smith预估控制应用于大滞后双容水箱系统，具备较好控制效果。

七、心得体会

和学别学科同样，在学完PLC理论课程后咱们做了课程设计，本次设计以分组方式进行，每组有一种题目。咱们做是一种双容水箱smith预估控制设计。由于平时人们都是学理论，没有过实际开发设计经验，拿届时候都不懂得怎么做。但通过各方面查资料并学习。咱们基本学会了PLC设计步聚和基本办法。分组工作方式给了我与同窗合伙机会，提高了与人合伙意识与能力。
通过这次设计实践。我学会了如何控制，对PLC工作原理和用法也有了更深刻理解。在对理论运用中，提高了咱们工程素质，在没有做实践设计此前，咱们对懂得撑握都是思想上，对某些细节不加注重，当咱们把自己想出来程序与到PLC中时候，问题浮现了，不是不能运营，就是运营成果和规定成果不相符合。能过解决一种个在调试中浮现问题，咱们对PLC 理解得到加强，看到了实践与理论差距。
通过合伙，咱们合伙意识得到加强。合伙能力得到提高。上大学后，诸多同窗都没有过进一步交流，在设计过程中，咱们用了分工与合伙方式，每个人负责一定某些，同步在一定阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决问题，在交流中人们积极发言，和提出意见，同步咱们还向别同窗请教。在此过程中，每个人都想自己方案得到实现，积极向同窗阐明自己想法。能过比较选出最佳方案。在这过程也提高了咱们表过能力。
在设计过程中咱们还得到了教师协助与意见。在学习过程中，不是每一种问题都能自己解决，向教师请教或向同窗讨论是一种较好办法，不是有句话叫做思而不学者殆。做事要学思结合。
有初学者在理论上花了诸多功夫，成果半年下来还是没有把PLC搞懂，其实她们只是缺少了某些PLC实践经验，通过本次课程设计，人们不久就掌握PLC这项技术了。开始阶段可以先学习一种品牌PLC，由于所有PLC原理都是差不多，掌握了一种PLC其他只要翻阅一下手册也就能上手使用了。通过了这样实践，基本上懂得PLC究竟能做哪些事情了，在实际工控应用中就能做到胸有成竹了。
通过本次课程设计，咱们可以将理论结合实践，在实践中应用理论，从而更加有助于理解，最用才干达到应用地步!

八、参照文献
（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，
（3）、金以慧，过程控制，北京：清华大学出版社，1993
（4）、陈在平，杜太行控制系记录算机仿真及CAD，天津：天津大学出版社，
（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，
（6）、薛毅，数学建模基本，北京：工业大学出版社，