pid水位控制系統(tǒng)自動(dòng)化課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文闡述了PID水位控制系統(tǒng)的工作原理及Smith預(yù)估控制的原理和設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)介紹了當(dāng)今Smith預(yù)估控制的改進(jìn)研究。針對(duì)單回路Smith預(yù)估控制水箱液位的設(shè)計(jì)，從軟硬件兩方面介紹其實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)通過(guò)Simulink做出了仿真與模擬；在西門子S7300上利用PLC與step7編程設(shè)計(jì)完成了單回路的水位控制。</p>

2、;<p>　　本文首先介紹了Smith預(yù)估控制的意義所在，然后分析其前景，通過(guò)介紹基于模糊控制的Smith預(yù)估器的改進(jìn)、基于改進(jìn)Smith預(yù)估器的一階時(shí)滯系統(tǒng)和改進(jìn)的自適應(yīng)Smith預(yù)估控制系統(tǒng)向讀者展現(xiàn)了Smith控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。其次，介紹了控制對(duì)象，建立了了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)Simulink設(shè)計(jì)出smith預(yù)估控制器，介紹了Smith的參數(shù)整定分析。通過(guò)仿真模擬在排除實(shí)驗(yàn)設(shè)備的誤差干擾下，實(shí)現(xiàn)了Smith預(yù)估的控制。最

3、后結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備和界面，搭建線路圖，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際整定參數(shù)。驗(yàn)證后，證明設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PID 、Smith預(yù)估控制、Simulink仿真、水位控制、參數(shù)整定</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要- 1 -</b></p

4、><p><b>　　一 引言- 2-</b></p><p>　　1.1 研究背景- 2 -</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求- 3 -</p><p>　　二 理論設(shè)計(jì)- 4 -</p><p>　　2.1 控制系統(tǒng)可行性分析- 4 -</p><p>

5、　　2.2 史密斯(Smith)預(yù)估器- 7 -</p><p>　　2.3 對(duì)象建模- 10 -</p><p>　　2.4 單回路水位PID控制- 15-</p><p>　　2.5 單回路水位Smith預(yù)估控制- 20 -</p><p>　　2.6 仿真結(jié)果分析- 24 -</p><p>　　三 基

6、于PLC單容水箱Smith預(yù)估控制設(shè)計(jì)……………………………- 24 -</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹- 24 -</p><p>　　3.2 單容水箱液位Smith預(yù)估控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)- 26 -</p><p>　　3.3 單容水箱Smith預(yù)估軟件流程- 28 -</p><p>　　3.4 單容水箱Smith預(yù)估接線

7、圖- 31 -</p><p>　　四 硬件連接及調(diào)試- 32 -</p><p>　　4.1 設(shè)備- 32 -</p><p>　　4.2 STEP 7 硬件組態(tài)- 33 -</p><p>　　4.3 WinCC參數(shù)設(shè)置………………………………………………………- 34 - </p><p>　　五 總結(jié)

8、- 37 -</p><p>　　六 體會(huì)與心得- 37 -</p><p>　　七 參考文獻(xiàn)- 39 -</p><p><b>　　一 引言</b></p><p><b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)中，由于物料的傳遞控制

9、系統(tǒng)等使得系統(tǒng)中的被控制量往往存在延時(shí)，如在石油、制藥、化工、造紙等行業(yè)的過(guò)程控制中存在許多具有純滯后特性的被控對(duì)象，即當(dāng)輸入變量改變后，系統(tǒng)輸出并不立即改變，而要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才反映出來(lái)，這段時(shí)間即為純滯后時(shí)間。純滯后占整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間越長(zhǎng)，控制的難度越大。在這些過(guò)程中，由于純延遲的存在，使被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，只有在延遲t以后才能反映到被調(diào)量，控制器產(chǎn)生的控制作用也不能立即對(duì)干擾產(chǎn)生抑制作用，必然會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較明顯的

10、超調(diào)量和持續(xù)的振蕩。</p><p>　　物料傳遞是生產(chǎn)過(guò)程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍存在且十分重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了高效的進(jìn)行生產(chǎn)，必須對(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程中的主要參數(shù)如流量、液位、壓力、溫度等進(jìn)行有效的控制。其中液位控制在化工生產(chǎn)過(guò)程中有比較大的比例。由于液位控制具有工況復(fù)雜，控制滯后等特點(diǎn)，其對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求極高。準(zhǔn)確的測(cè)量和精確的液位控制是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗和安全生產(chǎn)的重要條件。在工業(yè)的控制和生產(chǎn)中，為了保

11、證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行并提高控制精度，采用計(jì)算機(jī)控制是一種重要途徑。它的作用主要是改善勞動(dòng)條件，節(jié)約能源，防止生產(chǎn)和設(shè)備事故，以獲得好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)含有大滯后環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)一般會(huì)存在較大的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。水泵及進(jìn)水管道還具有大慣性、非線性、參數(shù)時(shí)變的特點(diǎn)。水箱的水位上升是依靠變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵的供水，水位下降則依靠排水閥出水，很難用數(shù)學(xué)方法建立精確的模型，應(yīng)用傳統(tǒng)

12、的控制理論和方法難以達(dá)到理想的控制效果。解決工業(yè)控制對(duì)象的大時(shí)滯、參數(shù)時(shí)變、非線性給控制帶來(lái)的不利影響，達(dá)到較好的控制效果，對(duì)于保證安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程的連續(xù)化、高效率、低消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益等起著舉足輕重的作用。</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</p><p>　　在工業(yè)過(guò)程控制中，由于物料的傳輸存在延遲，使得被控對(duì)象具有滯后性質(zhì)，對(duì)象的這種滯后性質(zhì)對(duì)控制提出了嚴(yán)峻的

13、挑戰(zhàn)。解決純滯后問(wèn)題的方法很多，最簡(jiǎn)單的方法就是常規(guī)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)仔細(xì)的整定，但是這種方法只適用于控制要求不太苛刻的情況下。而Smith預(yù)估控制策略是由美國(guó)學(xué)者OJ Smith題出的，它是針對(duì)純滯后問(wèn)題的有效控制方法，本次設(shè)計(jì)主要是來(lái)采用Smith預(yù)估控制策略來(lái)一定程度地解決水位滯后問(wèn)題。其中重點(diǎn)研究CS4000過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置中水箱液位控制的結(jié)構(gòu)與控制特點(diǎn)，對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，深入理解Smith預(yù)估控制系統(tǒng)

14、的設(shè)計(jì)原理方法，并應(yīng)用WinCC組態(tài)軟件、可編程控制器S7 300對(duì)CS4000過(guò)程控制系統(tǒng)中對(duì)水箱液位進(jìn)行控制。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有意義的創(chuàng)新，提出更好的更實(shí)用的方法。</p><p>　　如圖2.1單容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，水箱4的水位為控制目標(biāo)。 </p><p>　　圖2.1單容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>

15、;　　以下是我理解的本次課程設(shè)計(jì)的要求：</p><p>　　獨(dú)立完成系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)，說(shuō)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，應(yīng)達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行方案論證，確定設(shè)計(jì)方案，對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真并設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)控制水箱液位，并達(dá)到所需精度。</p><p><b>　　二 理論設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1控制系統(tǒng)可行性分析&

16、lt;/p><p>　　2.1.1國(guó)內(nèi)外相關(guān)控制研究現(xiàn)狀</p><p>　　總體上講，時(shí)滯系統(tǒng)的控制算法與控制理論的發(fā)展是同步的。自上個(gè)世紀(jì)50年代以來(lái)，在時(shí)滯控制方面又出現(xiàn)了基于模型和無(wú)模型兩大類方法。</p><p>　　基于模型的方法有Smith預(yù)估補(bǔ)償、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、魯棒控制等；基于無(wú)模型的方法有模糊Smith控制、模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控

17、制及專家控制等。大時(shí)滯控制方法已由傳統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向現(xiàn)代綜合智能控制。</p><p>　　Smith預(yù)估控制是得到廣泛應(yīng)用的時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法。該控制方法是預(yù)先估計(jì)系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償，使延遲的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器就會(huì)提前動(dòng)作，從而抵消時(shí)滯特性所造成的影響，減小超調(diào)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，加速調(diào)節(jié)過(guò)程，提高系統(tǒng)快速性。</p><p>　　從理論上分析，Smit

18、h預(yù)估器可以完全消除時(shí)滯的影響，成為一種對(duì)線性、時(shí)不變和單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的理想控制方法。但是Smith預(yù)估器需要確定被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)預(yù)估模型和實(shí)際對(duì)象不匹配時(shí)，控制效果較差；當(dāng)對(duì)象參數(shù)變化范圍較大時(shí)，Smith預(yù)估器將完全失效，甚至不及常規(guī)反饋控制方法；對(duì)于干擾的控制效果很差，這些問(wèn)題影響了Smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。針對(duì)Smith預(yù)估器對(duì)模型誤差十分敏感的特點(diǎn)，GikesRF和BarflyTM提出增益自適應(yīng)補(bǔ)

19、償方法12J。該方法是在Smith預(yù)估器之外增加了一個(gè)除法器、一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)和一個(gè)乘法器。這3個(gè)環(huán)節(jié)的作用是根據(jù)模型和過(guò)程輸出信號(hào)之間的比值來(lái)提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估增益的信號(hào)。增益自適應(yīng)補(bǔ)償方法明顯優(yōu)于Smith預(yù)估控制，具有較小的超調(diào)量和較短的調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　一、基于Smith預(yù)估補(bǔ)償與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)PID控制</p><p>　　近2O年來(lái)，工業(yè)界關(guān)于恒溫控制的難

20、題分別是：大滯后、強(qiáng)耦合、時(shí)變、嚴(yán)重干擾以及對(duì)非線性對(duì)象的控制，這些問(wèn)題始終都沒(méi)有得到切實(shí)解決。針對(duì)此類現(xiàn)象，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的在線學(xué)習(xí)能力與Smith預(yù)估補(bǔ)償原理，提出了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)PID控制算法，以期能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)恒溫控制。徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由J．Moody和C．Darken在20世紀(jì)8O年代末提出的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是具有單隱層的

21、三層前饋網(wǎng)絡(luò)。由于它模擬了人腦中局部調(diào)整、相互覆蓋接收域(或稱感受野，Receptive Field)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，RBF網(wǎng)絡(luò)是一種局部逼近網(wǎng)絡(luò)，已證明它能以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)。RBF網(wǎng)絡(luò)是一種三層前向網(wǎng)絡(luò)，由輸入到輸出的映射是非線性的，而隱層空間到輸出空間的映射是線性的，從而大大加快了學(xué)習(xí)速度并避免局部極小的問(wèn)題。改進(jìn)的．PID控制算法，其原理是利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制算法的比例系數(shù)愚 、積分系數(shù)k

22、、微分系數(shù)k。，用來(lái)適應(yīng)控制系統(tǒng)的非線性、時(shí)變等復(fù)雜問(wèn)題，同時(shí)將Smith預(yù)估補(bǔ)償算法</p><p>　　二、基于模糊控制的Smith預(yù)估器的改進(jìn)研究和設(shè)計(jì)</p><p>　　模糊推理控制系統(tǒng)同常規(guī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相同，其中模糊推理控制器由計(jì)算機(jī)完成，因此，其輸入、輸出部分必須有A/D,D/A轉(zhuǎn)換器，完成模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。模糊控制系統(tǒng)的工作原理同普通控制系統(tǒng)相同，但由于模糊控制

23、器需要提供在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)，因此，對(duì)那些具有較大滯后特性的離線檢測(cè)傳感裝置，一般不能用于模糊控制系統(tǒng)中。在模糊控制系統(tǒng)中，模糊推理控制器是核心部件，它由計(jì)算機(jī)模擬人腦思維推理方式，采用模糊的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)精確的控制目的。模糊推理控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，主要取決于模糊推理控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法以及模糊決策的方法等因素。雖然Smith預(yù)估控制中的模糊控制器有許多優(yōu)點(diǎn)，但它仍不能單獨(dú)代替S

24、mith預(yù)估控制方案中的PID調(diào)節(jié)器。因?yàn)槟：刂破鞯妮敵鍪歉鶕?jù)偏差和偏差的變化進(jìn)行推理得到的，本質(zhì)上屬于PD控制，無(wú)法消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差.而且模糊控制器的控制效果不僅與控制規(guī)則有關(guān)，還與量化因子，比例因子的選擇有關(guān)，量化因子和比例因子的大小及其不同量化因子之間的相對(duì)關(guān)系，對(duì)模糊控制器的控制性能影響極大，而要得到一組合適的參數(shù)并不容易。同時(shí)，雖然</p><p>　　三、一種改進(jìn)的自適應(yīng)Smith預(yù)估控制系統(tǒng)&l

25、t;/p><p>　　本系統(tǒng)是一種基于Smith預(yù)估控制的改進(jìn)方法，它對(duì)預(yù)估模型和實(shí)際對(duì)象存在較大誤差的情況下很有效。因?yàn)樵诠I(yè)現(xiàn)場(chǎng)，影響因素很多，使實(shí)際對(duì)象存在嚴(yán)重的不確定性，想要獲取準(zhǔn)確的模型幾乎是不可能的。因此，研究出魯棒性良好的改進(jìn)型Smith預(yù)估控制系統(tǒng)對(duì)于實(shí)際工業(yè)過(guò)程的控制是十分有意義的。，一般的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)難以在實(shí)際中得到真正的應(yīng)用。但是，如果將預(yù)估模型不斷調(diào)整，使之和實(shí)際對(duì)象相匹配，那么系統(tǒng)

26、的控制效果就會(huì)得到明顯改善。因此自適應(yīng)制方案和Smith預(yù)估的結(jié)合是很自然的。</p><p>　　2.1.2.時(shí)滯系統(tǒng)控制方法的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)的大規(guī)?；构I(yè)過(guò)程變得更為復(fù)雜，大時(shí)滯、時(shí)變性和嚴(yán)重非線性對(duì)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此需要更高級(jí)、更快速、更可靠和更有效的控制方法。由于物料和能量的傳輸存在延時(shí)，使得被控對(duì)象具有純滯后性質(zhì)，對(duì)象的這種純滯

27、后性質(zhì)對(duì)控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。實(shí)踐表明，當(dāng)對(duì)象的純滯后時(shí)間與對(duì)象的主導(dǎo)時(shí)間常數(shù)Tm之比/Tm≥0.5時(shí)，采用常規(guī)的PID控制會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，甚至產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　在基于參數(shù)模型的控制方法中，Smith預(yù)估控制是最經(jīng)典和最成熟的方法，它不僅使設(shè)定值和外部擾動(dòng)輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，還可以結(jié)合很多智能控制方法形成各種改進(jìn)的智能Smith預(yù)估控制系統(tǒng)，提高控制的品質(zhì)。對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)模型的不確定性和干擾的不可

28、知性，非參數(shù)模型顯得更為有效，因此智能控制開始進(jìn)入時(shí)滯系統(tǒng)，其中模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以發(fā)揮很大的作用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有學(xué)習(xí)與適應(yīng)嚴(yán)重不確定性動(dòng)態(tài)特性的能力，并且具有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性，模糊控制理論具有處理不精確信息的能力，從而使模糊控制能模仿人的經(jīng)驗(yàn)對(duì)復(fù)雜被控對(duì)象進(jìn)行專家式的控制，但是對(duì)于時(shí)滯過(guò)程，如何獲取有效的控制規(guī)則仍然是一難題。自適應(yīng)控制方法的出現(xiàn)又豐富了時(shí)滯系統(tǒng)的控制方法，它和其他方法結(jié)合形成了各種有效實(shí)用的新方法，有很大的優(yōu)越

29、性。魯棒控制和變結(jié)構(gòu)控制針對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)的控制在理論上的研究也很成功，但它們計(jì)算復(fù)雜，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)找不到解的情況，因此，其應(yīng)用價(jià)值在當(dāng)前仍然有限。因此，時(shí)滯系統(tǒng)的控制不是單一的方法就可以完善解決的，工業(yè)計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與完善可以很容易地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜且高級(jí)的控制算法，因此，針對(duì)時(shí)滯過(guò)程的特點(diǎn)，開發(fā)與設(shè)計(jì)出各種智能控制方法或以不同的形式</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)就是采用PID控制與Smith預(yù)估控制相結(jié)合的復(fù)合控制算法

30、。</p><p>　　2.2史密斯(Smith)預(yù)估器</p><p>　　2.2.1．史密斯補(bǔ)償原理</p><p>　　在圖6.14所示的單回路控制系統(tǒng)中，控制器的傳遞函數(shù)為D(s)，被控對(duì)象傳遞函數(shù)為Gp(s)e-s，被控對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)為Gp(s)，被控對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)為e-s。</p><p>　　圖2.2

31、.1 純滯后對(duì)象控制系統(tǒng)</p><p>　　圖6.14所示系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　由式(2.1)可以看出，系統(tǒng)特征方程中含有純滯后環(huán)節(jié)，它會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　史密斯補(bǔ)償?shù)脑硎牵号c控制器D(s)并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來(lái)補(bǔ)償被控對(duì)象中

32、的純滯后部分，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為Gp(s)(1-e-s)，為純滯后時(shí)間，補(bǔ)償后的系統(tǒng)如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2.2 史密斯補(bǔ)償后的控制系統(tǒng)</p><p>　　由控制器D(s)和史密斯預(yù)估器組成的補(bǔ)償回路稱為純滯后補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>

33、;　　根據(jù)圖2.2可得史密斯預(yù)估器補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　由式(2.3)可以看出，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，純滯后環(huán)節(jié)在閉環(huán)回路外，這樣就消除了純滯后環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。拉氏變換的位移定理說(shuō)明e-s僅僅將控制作用在時(shí)間座標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)間，而控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程及其它性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為Gp(s)時(shí)完全相同

34、。</p><p>　　2．史密斯預(yù)估器的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)</p><p>　　由圖2.2可以得到帶有史密斯預(yù)估器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2.3所示。</p><p>　　圖中，H0(s)為零階保持器，帶零階保持器的廣義對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p&

35、gt;　　G'(z)為被控對(duì)象中不具有純滯后部分的脈沖傳遞函數(shù)，N＝/T，是被控對(duì)象純滯后時(shí)間，T是系統(tǒng)采樣周期。</p><p>　　圖2.2.3史密斯補(bǔ)償計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)</p><p>　　D’(z)就是要在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)的史密斯補(bǔ)償器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2.5)</b></p><p&g

36、t;　　對(duì)于控制器D(z)，可以采用如下方法確定：不考慮系統(tǒng)純滯后部分，先構(gòu)造一個(gè)無(wú)時(shí)間滯后的閉環(huán)系統(tǒng)(見圖2.4)，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)理想特性要求確定的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Φ(z)，則</p><p>　　數(shù)字控制器D(z)為</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　圖2.2.4無(wú)時(shí)間滯后的閉環(huán)系統(tǒng)</p>&l

37、t;p>　　Smith預(yù)估控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是將滯后環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)外，使控制品質(zhì)大大提高，而Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是太過(guò)依賴精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)估計(jì)模型和實(shí)際對(duì)象有誤差時(shí)，控制品質(zhì)會(huì)顯著惡化，甚至發(fā)散，而且對(duì)于外部干擾非常敏感，魯棒性較差。</p><p>　　2.2.2 Smith 控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　從液位滯后Smith 預(yù)估控制系統(tǒng)的原理可以看出，此改進(jìn)型Sm

38、ith 預(yù)估器的參數(shù)整定主要涉及對(duì)象模型參數(shù)的獲得，因此其整定的步驟如下：</p><p>　　A 獲得對(duì)象的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　用飛升曲線法，測(cè)得被控對(duì)象的特性曲線，然后通過(guò)分析曲線特</p><p>　　性獲得對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　B 將模型參數(shù)作為 Smith 控制器的參數(shù)</p><p&g

39、t;　　C 根據(jù)實(shí)際的控制效果，調(diào)整參數(shù)，直至達(dá)到較佳的控制效果</p><p><b>　　2.3 對(duì)象建模</b></p><p>　　2.3.1單容水箱液位控制系統(tǒng)組成：</p><p><b>　　1、被控對(duì)象：</b></p><p>　　單容水箱如圖2.3.1。</p>

40、<p><b>　　圖2.3.1</b></p><p>　　含有一個(gè)入水閥，一個(gè)泄水閥，單入單出的被控對(duì)象，平衡點(diǎn)處可近似一階慣性環(huán)節(jié)。尺寸：高度25cm，內(nèi)徑7.5cm，外徑7.6cm 。</p><p><b>　　2、檢測(cè)裝置：</b></p><p><b>　　壓力液位傳感器</b&g

41、t;</p><p>　　圖2.3.2是這種根據(jù)壓阻效應(yīng)工作的半導(dǎo)體壓力測(cè)量元件的結(jié)構(gòu)示意圖，在杯狀單晶硅膜片的表面上，沿一定的晶軸方向擴(kuò)散著一些長(zhǎng)條形電阻。當(dāng)硅膜片上下兩側(cè)出現(xiàn)壓差時(shí)，膜片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。</p><p><b>　　圖2.3.2</b></p><p>　　為了減小半導(dǎo)體電阻隨溫度變化引起的誤差，在硅

42、膜片上常擴(kuò)散四個(gè)阻值相等的電阻，以便接成橋式輸出電路獲得溫度補(bǔ)償，如下圖所示。平面式彈性膜片受壓變形時(shí)，中心區(qū)與四周的應(yīng)力方向是不同的。在膜片上用擴(kuò)散法制造電阻時(shí)，將四個(gè)橋臂電阻中的兩個(gè)置于受壓區(qū)，這樣如圖接成推挽電路測(cè)量壓力時(shí)，電阻溫度漂移可以得到很好的補(bǔ)償，而輸出電壓加倍。在使用幾伏的電源電壓時(shí)，橋路輸出信號(hào)幅度可達(dá)幾百毫伏。這樣，后面只要用一個(gè)普通的運(yùn)算放大器，便可將它轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。</p><p>

43、;<b>　　圖2.3.3</b></p><p>　　工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸V/A電壓、電流轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。</p><p><b>　　3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p

44、><b>　　圖2.3.4</b></p><p>　　電動(dòng)控制閥如圖2.3.4</p><p>　　電動(dòng)控制閥通過(guò)改變管路的流通面積來(lái)改變控制通過(guò)的流量。其主要包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和體體兩部分?？刂崎y部分主要由閥桿、閥體、閥芯、及閥座等部件組成。當(dāng)閥芯在閥體內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，可改變閥芯閥座間的流通面積。</p><p>　　圖2.3.5 電動(dòng)

45、控制閥原理圖</p><p>　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用隨動(dòng)系統(tǒng)的方案組成，如上圖所示。從控制器來(lái)的信號(hào)通過(guò)伺服放大器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，經(jīng)減速器帶動(dòng)控制閥，同時(shí)經(jīng)位置發(fā)信器將閥桿行程反饋給伺服放大器，組成位置隨動(dòng)系統(tǒng)。依靠位置負(fù)反饋，保證輸入信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為閥桿的行程。</p><p><b>　　單容水箱建模：</b></p><p>　　圖2.3.

46、6 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得：</p><p>　　在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得： </p><p>　　式中，T為水箱的時(shí)間常數(shù)， ， ，R1，R2分別為V1，V2的閥的液阻，C為水箱的容量系數(shù)。</p><

47、p>　　令輸入流量Q1的階躍變化量為R0，其拉氏變換式為</p><p>　　R0為常量，則輸出液位高度的拉氏變換為：</p><p>　　即： 當(dāng)t=T時(shí)，則有：</p><p>　　當(dāng) 時(shí)， ，因而有：</p><p>　　一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2.3.7所示。階躍響應(yīng)

48、曲線后，該曲線上升的穩(wěn)定值的63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T，該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，其理論依據(jù)是：</p><p>　　圖 2.3.7 階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　單容水箱模型參數(shù)實(shí)驗(yàn)整定</p><p>　　根據(jù)一階單容水箱對(duì)象特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，固定下水閥，調(diào)整比例閥開度，使水位達(dá)

49、到3cm左右，穩(wěn)定后，突加給定，使比例閥開度增加10%，等到響應(yīng)曲線穩(wěn)定后，測(cè)得穩(wěn)態(tài)值為13.5cm，記錄好28.3%與63.2%兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，做出一階單容水箱實(shí)際響應(yīng)曲線：</p><p>　　圖2.3.8一階單容水箱實(shí)際響應(yīng)曲線</p><p><b>　　計(jì)算K=6.3，</b></p><p>　　所以，

50、 </p><p>　　故一階單容水箱傳遞函數(shù)為</p><p>　　2.4 單回路水位PID控制</p><p>　　2.4.1 單回路水位PID控制設(shè)計(jì)</p><p>　　擬設(shè)計(jì)閉環(huán)反饋單回路液位控制，用一個(gè)控制器來(lái)控制一個(gè)被控參數(shù)，而控制器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)中的被控參數(shù)是液位的給定

51、高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。 </p><p>　　圖2.4.1 單回路上水箱液位控制系統(tǒng)</p><p>　　用臨界比例度法整定PID控制器參數(shù)：</p><p>　　在只有比例控制作用下（將積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到最?。劝驯壤禂?shù)K放在較小值上，然后逐步增加控制器的比例系數(shù)，并且每當(dāng)增加一次比例系數(shù)，待被控量回復(fù)到平衡狀態(tài)

52、后，再手動(dòng)給系統(tǒng)施加一個(gè)5%~15%的階躍擾動(dòng)，觀察被控量變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。若被控量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)增加比例系數(shù)，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例系數(shù)控制得過(guò)大，應(yīng)適當(dāng)減少，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖2.4.2為它的實(shí)驗(yàn)方塊圖。</p><p>　　圖2.4.2 具有比例控制器的閉環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　在圖2.4.3系統(tǒng)中，當(dāng)被控量作等幅蕩時(shí)

53、，此時(shí)的比例系數(shù)K就是臨界比例系數(shù)，用Km表示之，此時(shí)的臨界比例度為 ，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tm。據(jù)此，按下表可確定PID控制器的三個(gè)參數(shù)δ、Ti和Td。</p><p>　　圖2.4.3 具有周期Tm的等幅振蕩</p><p>　　表2.1 用臨界比例度δk整定PID控制器的參數(shù)</p><p>　　表格中給出的參數(shù)值是對(duì)控制器參數(shù)的一個(gè)初略設(shè)計(jì)，因?yàn)樗?/p>

54、根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論。若要更滿意的動(dòng)態(tài)過(guò)程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1的衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)δ、Ti（或Td）作適當(dāng)調(diào)整。</p><p><b>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得</b></p><p>　　2.4.2單回路水位PID控制計(jì)算機(jī)仿真</p><p>　　Simulink是Matlab最重要的組件之一，它提供

55、一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。</p><p>　　Simulink是MATLA

56、B中的一種可視化仿真工具，是一種基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操

57、作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 </p><p>　　在Matlab中用Simulink對(duì)上述單回路PID 控制進(jìn)行仿真，Simulink下設(shè)計(jì)圖為：</p><p>　　圖 2.4.4 Simulink仿真設(shè)計(jì)圖</p><p>　　對(duì)應(yīng)的PID控制器中參數(shù)設(shè)置為：</p><p>

58、　　圖 2.4.5 單回路PID 參數(shù)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.4.6 針對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)曲線</p><p>　　2.5 單回路水位Smith預(yù)估控制</p><p>　　2.5.1單回路水位Smith預(yù)估控制設(shè)計(jì)</p><p>　　由控制理論可知，純滯后環(huán)節(jié)的存在使系統(tǒng)的相位出現(xiàn)滯后，隨著滯后時(shí)間的增加，相位滯后增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定

59、性降低，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。Smith提出采用并聯(lián)補(bǔ)償裝置可以消除純滯后對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響。該控制方法是預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后對(duì)時(shí)滯進(jìn)行補(bǔ)償，使延遲的被超調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而消除時(shí)滯特性所造成的影響，減小超調(diào)量，提高控制性能。</p><p>　　設(shè)控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　其中 不包含純滯后特性。負(fù)反饋控制系統(tǒng)如圖2.5.1所示。

60、</p><p>　　圖 2.5.1 純滯后對(duì)象的負(fù)反饋控制</p><p>　　系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　系統(tǒng)的特征方程為</b></p><p>　　上式中包含有純滯后環(huán)節(jié) ，顯然， 使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，尤其當(dāng) 比較大時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)不穩(wěn)定，因此，常規(guī)的調(diào)節(jié)規(guī)律 很難使閉環(huán)系統(tǒng)獲得滿意的控制

61、性能。</p><p>　　為了改善系統(tǒng)的性能，引入一個(gè)與對(duì)象并聯(lián)的補(bǔ)償器 ，使得補(bǔ)償以后的等效傳遞函數(shù)不包含純滯后特性。純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)如圖2.5.2所示。</p><p>　　圖2.5.2 Smith補(bǔ)償控制系統(tǒng)</p><p>　　由上式可知，當(dāng)時(shí)，可以使等效對(duì)象的傳遞函數(shù)不包含純滯后特性，這種補(bǔ)償器即為Smith預(yù)估器。</p><p&

62、gt;　　事實(shí)上，將補(bǔ)償器關(guān)聯(lián)在控制對(duì)象上很難實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)時(shí)，是關(guān)聯(lián)在</p><p>　　圖2.5.3 圖2.5.2的等效圖</p><p>　　負(fù)反饋調(diào)節(jié)器 上的，因此，圖2.5.2可以轉(zhuǎn)換成圖2.5.3的形式。</p><p>　　經(jīng)過(guò)純滯后補(bǔ)償控制，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　可以看到，經(jīng)過(guò)純滯后補(bǔ)償后，閉環(huán)

63、系統(tǒng)的特征方程為：</p><p>　　上式中已經(jīng)不包含 。一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于其閉環(huán)特征方程式，經(jīng)過(guò)Smith預(yù)估補(bǔ)償滯后，原來(lái)含時(shí)滯閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式中不再含有純滯后環(huán)節(jié)，而是將系統(tǒng)的控制過(guò)程曲線在時(shí)間軸上推遲了一個(gè) 時(shí)間，所以預(yù)估補(bǔ)償消除了純滯后過(guò)程的不利影響，使系統(tǒng)品質(zhì)與無(wú)滯后過(guò)程完全相同?？梢?，從理論上講Smith預(yù)估控制在一定范圍內(nèi)能克服純滯后的影響。</p><p&

64、gt;　　2.5.2單回路水位Smith預(yù)估控制計(jì)算機(jī)仿真</p><p>　　在Matlab中用Simulink對(duì)上述單回路Smith預(yù)估控制進(jìn)行仿真，Simulink下設(shè)計(jì)如圖2.5.4：</p><p>　　圖 2.5.4 單回路Smith預(yù)估Simulink仿真圖</p><p>　　圖2.5.5 PID控制器中參數(shù)設(shè)置</p><

65、;p>　　圖2.5.6 單位階躍輸入的響應(yīng)曲線</p><p>　　2.6 仿真結(jié)果分析</p><p>　　反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)整定；當(dāng)參數(shù)適當(dāng)值時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制指標(biāo)的綜合考慮，系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到理想效果。Smith具有純滯后的PID＋Smith算法控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)： </p><p>　　(1)系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)態(tài)性能好；<

66、;/p><p>　　(2)降低了超調(diào)量、減少了振蕩次數(shù)、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良；</p><p>　　(3)在被控對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)，控制品質(zhì)好。</p><p>　　三 基于PLC的單容水箱Smith預(yù)估控制設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹</b></p><p>　　實(shí)

67、驗(yàn)裝置中主要包含：不銹鋼儲(chǔ)水箱、串接圓筒有機(jī)玻璃左上水箱、左下水箱、右上水箱、右下水箱四容水箱。純滯后水箱等實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路組成：一路由單相動(dòng)力循環(huán)水泵、電動(dòng)控制閥、電磁流量計(jì)、水管及手動(dòng)切換閥組成；另一路由動(dòng)力水泵、變頻調(diào)速器、渦輪流量計(jì)、水管及手動(dòng)切換閥組成。實(shí)驗(yàn)裝置中檢測(cè)變送和執(zhí)行元件包括：壓力液位傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、控制閥等。實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3.1.1所示。</p><

68、p>　　圖3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)是在西門子S7300PLC控制器下實(shí)現(xiàn)，下面介紹西門子S7300PLC控制器。其核心的實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3.1.2所示。該系統(tǒng)主要包括：PLC控制器部分、具有上位機(jī)監(jiān)控操作功能的學(xué)生終端部分、過(guò)程實(shí)驗(yàn)裝置、具有實(shí)驗(yàn)信息管理功能的教師終端設(shè)備。</p><p>　　圖3.1.2 基于PLC實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖<

69、;/p><p>　　控制臺(tái)部分：控制臺(tái)右邊為信號(hào)I/O接口部分，從上到下依次有開關(guān)量I/O信號(hào)通道接口、模擬量輸入信號(hào)通道接口、模擬量輸出信號(hào)通道接口?？刂婆_(tái)左邊為PLC控制器。從左到右分別為24VDC電源模塊、CPU315主機(jī)模塊，8路模擬量輸入SM331模塊、2路模擬量輸入SM331模塊（2塊）、4路模擬量輸入SM332模塊、數(shù)字量8路8出開關(guān)量SM323模塊。PLC采用12路模擬量1-5V電壓輸入；PLC的8路

70、模擬量輸入模塊1中的AI7已經(jīng)直接和夾套溫度信號(hào)固定連接。PLC的4路模擬量采用4-20mA電流輸出形式。PLC數(shù)字量輸入/輸出模塊采用工作電壓為DC24V。</p><p>　　水箱液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體介紹</p><p>　　該閉環(huán)系統(tǒng)的組成中，Smith預(yù)估控制部分用FX系列的PLC和模擬量FX-4AD模塊實(shí)現(xiàn)；通過(guò)壓力液位傳感器檢測(cè)水箱液位，壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流送給

71、模擬量輸入模塊，經(jīng)過(guò)PLC的內(nèi)部處理將模擬量轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的數(shù)字量與設(shè)定值比較處理，在將控制信號(hào)作用于控制調(diào)功器上，以此來(lái)控制變頻電機(jī)的頻率，從而影響進(jìn)水量大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的閉環(huán)控制。</p><p>　　水位控制I/O模塊介紹</p><p>　　在工業(yè)控制中，某些輸入量（例如流量、溫度、轉(zhuǎn)速等）是連續(xù)變化的模擬量，某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)要求PLC輸出模擬信號(hào)，而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。模

72、擬量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流和電壓。其中，D/A轉(zhuǎn)換器將PLC的數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流，再去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。模擬量I/O模塊的主要任務(wù)就是完成A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)選用模擬量輸入模塊FX2N-4AD，該模塊用4個(gè)12位模擬量輸入通道，輸入量程為DC-10V-+10V和4—20MA，轉(zhuǎn)換速度為15MS/通道或6MS/通道（高速）。</p><p>　　3.2 單容水箱液位S

73、mith預(yù)估控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　單容水箱液位Smith預(yù)估控制組包括上位計(jì)算機(jī)通過(guò)PC/PPI電纜和下位機(jī)PLC串口通信，上位機(jī)安裝有Step7編程軟件和組態(tài)王監(jiān)控軟件，可以進(jìn)行控制算法編程，并為過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)提供良好的人機(jī)界面，可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定修改以及響應(yīng)曲線的在線顯示,進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控。</p><p>　　圖3.2.1 單容水箱Smith預(yù)估系統(tǒng)組

74、成結(jié)構(gòu)</p><p>　　控制系統(tǒng)如圖3.2.1所示。檢測(cè)變送器將被控量轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào),通過(guò)PLC模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換為6400-32000的數(shù)字量,PLC控制程序?qū)斎胄盘?hào)采樣、濾波,與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算輸出操作量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。</p><p>　　圖3.2.2 單容水箱Smith預(yù)估方框圖</p><p>

75、　　圖3.2.3單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>　　3.3 單容水箱Smith預(yù)估軟件流程</p><p>　　系統(tǒng)控制功能由初始化程序?qū)υO(shè)定值、PID控制參數(shù)、定時(shí)中斷時(shí)間等進(jìn)行初始化設(shè)定, 并啟動(dòng)周期定時(shí)中斷, 中斷(采樣)時(shí)間到, 則進(jìn)入中斷程序, 進(jìn)行采樣濾波、量程轉(zhuǎn)換, 實(shí)現(xiàn)要求的控制算法。PID控制算法利用S7-300的PID指令實(shí)現(xiàn)。</p><p&

76、gt;　　軟件流程圖如圖3.3.1所示</p><p>　　圖3.3.1 程序流程圖</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p>　　SY1: L IW 0</p><p>　　T MW 0 //信號(hào)從AI0裝載到MW0&

77、lt;/p><p>　　CALL "SCALE" //調(diào)用SCALE程序塊,把信號(hào)轉(zhuǎn)化為0~100 cm的液位信號(hào).</p><p>　　IN :=MW0</p><p>　　HI_LIM :=3.000000e+001</p><p>　　LO_LIM :

78、=0.000000e+000</p><p>　　BIPOLAR :=FALSE</p><p>　　RET_VAL :=MW2</p><p>　　OUT :=MD4</p><p>　　CALL "UNSCALE" //調(diào)用UNSCALE程序塊,把0~100%</p

79、><p>　　的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù).</p><p>　　IN :=MD10</p><p>　　HI_LIM :=1.000000e+002</p><p>　　LO_LIM:=0.000000e+000</p><p>　　BIPOLAR:=FALSE</p><

80、p>　　RET_VAL:=MW14</p><p>　　OUT :=MW16</p><p>　　L MW 16</p><p>　　T QW 0 //把已轉(zhuǎn)化的控制信號(hào)數(shù)據(jù)裝載</p><p><b>　　到AO0,并輸出.</b>

81、</p><p><b>　　JU END</b></p><p>　　SY4: L IW 0</p><p>　　T MW 0 //信號(hào)從AI0裝載到MW0</p><p>　　CALL "SCALE"

82、 //調(diào)用SCALE程序塊,把信號(hào)轉(zhuǎn)</p><p>　　化為0~100 cm的液位信號(hào).</p><p>　　IN :=MW0</p><p>　　HI_LIM :=3.000000e+001</p><p>　　LO_LIM:=0.000000e+000</p><p>　　B

83、IPOLAR:=FALSE</p><p>　　RET_VAL:=MW2</p><p>　　OUT :=MD4</p><p>　　CALL "CONT_C" , DB41</p><p>　　COM_RST :=</p><p>　　MAN_ON :=</p&

84、gt;<p>　　PVPER_ON:=FALSE</p><p>　　P_SEL :=</p><p>　　I_SEL :=</p><p>　　INT_HOLD:=</p><p>　　I_ITL_ON:=</p><p>　　D_SEL :=TRUE</p&g

85、t;<p>　　CYCLE :=</p><p>　　SP_INT :=MD204</p><p>　　PV_IN :=MD4</p><p>　　PV_PER :=</p><p>　　MAN :=MD400</p><p>　　GAIN :=</

86、p><p>　　TI :=</p><p>　　TD :=</p><p>　　TM_LAG :=</p><p>　　DEADB_W :=</p><p>　　LMN_HLM :=</p><p>　　LMN_LLM :=</p>&l

87、t;p>　　PV_FAC :=</p><p>　　PV_OFF :=</p><p>　　LMN_FAC :=</p><p>　　LMN_OFF :=</p><p>　　I_ITLVAL:=</p><p>　　DISV :=</p><p>　　L

88、MN :=MD208</p><p>　　LMN_PER :=QW0</p><p>　　QLMN_HLM:=</p><p>　　QLMN_LLM:=</p><p>　　LMN_P :=</p><p>　　LMN_I :=</p><p>　　LMN_D

89、 :=</p><p>　　PV :=MD200</p><p>　　ER :=</p><p>　　AN DB41.DBX 0.1</p><p><b>　　JNB SD4</b></p><p>　　L DB41.DBD 72&

90、lt;/p><p>　　T DB41.DBD 16</p><p><b>　　JNB A4</b></p><p>　　SD4: L DB41.DBD 16</p><p>　　T DB41.DBD 72</p><p>　　A4: JU END&

91、lt;/p><p>　　3.4 單容水箱Smith預(yù)估接線圖</p><p>　　圖3.3.2 端子接線圖</p><p><b>　　四 硬件連接及調(diào)試</b></p><p><b>　　4.1 設(shè)備</b></p><p>　　包括整體線路連接，PLC——PC(WinC

92、C)連接兩部分，系統(tǒng)整體線路連接示意圖如下：</p><p><b>　　圖4.1 設(shè)備圖</b></p><p>　　4.2 STEP 7 硬件組態(tài)</p><p>　　使用STEP 7軟件組態(tài)PLC的硬件信息，將相應(yīng)的板卡在Hardware進(jìn)行硬件組態(tài)，選擇你將要連接WINCC的對(duì)應(yīng)端口，如果其類型為MPI/DP，則需要將端口指定為PRO

93、FIBUS，如下圖所示：</p><p>　　圖4.2 操作頁(yè)面圖</p><p>　　A．設(shè)置該P(yáng)ROFIBUS端口的地址為2 </p><p>　　B．點(diǎn)擊New按鈕，在Subnet下新建一個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置參數(shù)，如圖2.2所示： </p><p>　　圖4.3 操作頁(yè)面圖</p><p&

94、gt;　　其中重要參數(shù)如下： </p><p>　　Highest PROFIBUS Address： 指整個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中的最高的站點(diǎn)地址，默認(rèn)為126，可作修改。 </p><p>　　Transmission Rate： PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的通訊速率，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)的通訊串列傳輸速率應(yīng)當(dāng)一致。 </p><p>　　Profile： 具體的傳輸協(xié)

95、議的設(shè)置，這里我們使用DP。</p><p>　　4.3 WinCC參數(shù)設(shè)置</p><p>　　打開WINCC工程在Tag Management-->SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE->PROFIBUS 右鍵單擊PROFIBUS，在彈出菜單中點(diǎn)擊System Parameter，如圖 所示，彈出System Parameter- PROFIBUS對(duì)話框，選擇

96、Unit標(biāo)簽，查看Logic device name（邏輯設(shè)備名稱）。默認(rèn)安裝后，邏輯設(shè)備名為CP_L2_1:，如圖 所示：</p><p>　　圖4.4 操作頁(yè)面圖</p><p>　　4.3.1 設(shè)置PG/PC Interface </p><p>　　進(jìn)入Windows操作系統(tǒng)下的控制面板，雙擊Set PG/PC Interface圖示，在Interfac

97、e Parameter Assignment Used:的列表中，點(diǎn)擊CP5611(PROFIBUS)，而后在Access Point of the Application:的下拉列表中顯示：CP_L2_1:CP5611(PROFIBUS)，如圖2.7所示。</p><p>　　圖6-5 操作頁(yè)面圖</p><p>　　4.3.2 添加驅(qū)動(dòng)連接，設(shè)置參數(shù)</p><p

98、>　　打開WINCC工程在Tag Management-->SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE->PROFIBUS，右鍵單擊PROFIBUS，在下拉菜單中，點(diǎn)擊New Driver Connection，如圖1示，在彈出的Connection properties對(duì)話框中點(diǎn)擊Properties按鈕，彈出Connection parameters-PROFIBUS屬性對(duì)話框，填入?yún)?shù)，如圖2所示：<

99、;/p><p>　　圖6-6 操作頁(yè)面圖</p><p>　　程序編輯完成并編譯無(wú)誤時(shí)，點(diǎn)擊圖示下載到控制系統(tǒng)中。</p><p><b>　　五 總結(jié)</b></p><p>　　1.PID參數(shù)對(duì)控制效果的影響</p><p>　　從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來(lái)評(píng)價(jià)Kc、Ti和

100、Td參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的作用，如下：</p><p>　　比例參數(shù)Kc的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度。P越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生大的超調(diào)，甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生震蕩；P過(guò)小，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)很慢，調(diào)節(jié)精度降低，其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。</p><p>　　積分參數(shù)Ti的作用消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。Ti越小，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但當(dāng)Ti過(guò)小，會(huì)在響應(yīng)初期產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，

101、引起較大的超調(diào)；過(guò)大的Ti會(huì)影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　微分參數(shù)Td的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，提前引入修正信號(hào)，加快系統(tǒng)動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　2 具有純滯后的PID＋Smith算法控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　通過(guò)課程設(shè)計(jì)得出有純滯后的PID＋Smith算法控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)的響

102、應(yīng)速度加快、調(diào)節(jié)精度提高、穩(wěn)態(tài)性能好；降低了超調(diào)量、減少了振蕩次數(shù)、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良；在被控對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)，控制品質(zhì)好。</p><p>　　本文沒(méi)有做出實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì),只是基于Simulink下的仿真而得到的結(jié)論,應(yīng)該說(shuō)是不成功的,但還是得到了smith控制對(duì)純滯后系統(tǒng)的性能改善。本文為工業(yè)過(guò)程控制中的大滯后、時(shí)變等復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供了一種良好的選用方案。</p><p&g

103、t;<b>　　六 體會(huì)與心得</b></p><p>　　通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題和搜索查找有用信息的能力。之前對(duì)Matlab并不了解，特別是Simulink幾乎沒(méi)有聽過(guò)，現(xiàn)在加深了對(duì)Matlab知識(shí)的理解和比較熟練的使用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。 在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改

104、正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過(guò)而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在小組成員的共同努力下，終于游逆而解。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘。 課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提

105、升，同時(shí)又是一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目，將我們大學(xué)學(xué)到的專業(yè)知識(shí)融匯起來(lái)，使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真，熟練掌握了PID控制器的設(shè)計(jì),熟悉了PLC控制、儀表和電路的連線方法；以</p><p>　　我認(rèn)為通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益

106、匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。 回顧起此課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為

107、社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教或上網(wǎng)查詢，只要認(rèn)真鉆研，動(dòng)腦思考，動(dòng)手實(shí)踐，就沒(méi)有弄不懂的知識(shí)，收獲頗豐。</p><p><b>　　七 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 西門子（中國(guó)）有限公司 編，

108、深入淺出西門子S7-200PLC（第三版），北京航空航天大學(xué)出版社，2007年9月</p><p>　　2 劉建昌 關(guān)守平 周瑋遍，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，科學(xué)出版社，2009年8月</p><p>　　3 楊英華，過(guò)程控制系統(tǒng)PPT，2011年3月</p><p>　　4 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書，2010年</p><p>