滯后控制系統(tǒng)設(shè)計

課程設(shè)計任務(wù)書學院信息科學與工程學院專業(yè)自動化學生姓名班級學號課程設(shè)計題目THFCS-1型實驗裝置滯后控制系統(tǒng)設(shè)計1實踐教學要求與任務(wù):構(gòu)成THFCS-1滯后控制系統(tǒng)硬軟件設(shè)計實驗調(diào)試THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗撰寫實驗報告工作計劃與進度安排:第1～2天，查閱文獻，構(gòu)成THFCS-1滯后控制系統(tǒng)第3～4天，硬軟件設(shè)計第5～6，實驗調(diào)試4）第7～9天，THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗5）第10天，撰寫實驗報告指導(dǎo)教師：20年月日專業(yè)負責人：20年月日學院教學副院長：20年月日摘要在工業(yè)過程中，大滯后系統(tǒng)普遍存在。論文以一實驗用加熱裝置為研究對象，針對該溫度控制系統(tǒng)具有大滯后特點，采用Smith預(yù)估控制器的控制方案。理論分析該種控制系統(tǒng)與單回路PID控制相比，具有更優(yōu)的動態(tài)特性。關(guān)鍵詞：大純滯后；PID；smith預(yù)估目錄引言 1第1章課程設(shè)計基本資料 21.1軟硬件平臺 21.2控制方案 21.3流程： 3第2章內(nèi)膽加循環(huán)水單環(huán)定值控制 4第3章純滯后常規(guī)PID控制 5第4章Smith預(yù)估補償控制 74．1Smith預(yù)估補償器原理 74.2對象特性測試 94.3實驗步驟： 12第5章總結(jié) 13參考文獻 14引言在工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常由于物料、能量的傳輸帶來時間延遲的問題，即被控對象具有不同程度的純滯后，不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動。即使測量信號能到達控制器,執(zhí)行機構(gòu)接受信號后立即動作，也需要經(jīng)過一個滯后時間，才能影響到被控制量，使之受到控制。這樣的過程必然會產(chǎn)生較大的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，使過渡過程變壞，系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。當τ/T增加時，過程中的相位滯后增加而使超調(diào)增大甚至會因為嚴重超調(diào)而出現(xiàn)聚爆、結(jié)焦等事故。我們通常將純滯后時間與過程的時間常數(shù)TP之比大于0.3的過程認為是具有大滯后的過程[1]。傳統(tǒng)的PID控制一般不能解決過程控制上的大滯后問題，因此具有大滯后的過程控制被認為是較難的控制問題，成為過程控制研究的熱點。鍋爐的爐溫控制問題是一個典型的時間滯后問題。第1章課程設(shè)計基本資料1．1軟硬件平臺沈陽理工大學信息科學與工程學院購置的“THJ-3型西門子PLC過程控制系統(tǒng)”是由實驗控制對象、實驗控制柜及上位監(jiān)控PC機三部分組成。它是本公司根據(jù)工業(yè)自動化及其他相關(guān)專業(yè)的教學特點，并吸收了國內(nèi)外同類實驗裝置的特點和長處，經(jīng)過精心設(shè)計，多次實驗和反復(fù)論證而推出的一套全新的綜合性實驗裝置。本裝置結(jié)合了當今工業(yè)現(xiàn)場過程控制的現(xiàn)狀，是一套集自動化儀表技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)為一體的多功能實驗設(shè)備。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制、比值控制，解耦控制等多種控制形式。沈陽理工大學信息科學與工程學院過程控制實驗室其中的一個實驗臺由夾套鍋爐、管道、閥門、水箱、I/O模塊、工控機、力控軟件等部件組成。系統(tǒng)中可以測量和控制的量有流量、水壓、溫度、液位等；具有幾個可控的參數(shù)：進出水閥門的開度、變頻器頻率、加熱絲功率，可以通過改變它們的控制信號（4~20mA）對其進行控制。鍋爐的出水口到出口溫度測量點之間有一段很長的盤管，水流流經(jīng)該管道造成大約數(shù)分鐘的時延，用來模擬大滯后系統(tǒng)。1．2控制方案(1)對于超過0.3~1的大純滯后系統(tǒng),采用Smith預(yù)估補償器,能取得好的控制效果。(2)對于小于0.3的系統(tǒng),采用常規(guī)PID,就能取得好的控制效果。在生產(chǎn)過程中造成滯后的原因通常有以下三種：傳輸滯后測量滯后容量滯后我們本次課程設(shè)計所指的也是傳輸純滯后，采用常規(guī)PID和Smith預(yù)估補償兩種方法。1．3流程：開HV02、HV07、HV17、HV12、HV06關(guān)HV03、HV08、HV09、HV13、HV16循環(huán)水過FV102，從下邊進鍋爐，通過溢出口流出，為保持液位不變，恒壓供水壓力恒為24Kpa不變，調(diào)節(jié)閥保持半開。溢出水經(jīng)TE201進入儲水箱。第2章內(nèi)膽加循環(huán)水單環(huán)定值控制內(nèi)膽加循環(huán)水單環(huán)定值控制響應(yīng)曲線，測溫點為TE101第3章純滯后常規(guī)PID控制純滯后常規(guī)PID控制(出水口單環(huán)，測溫點為TE201)數(shù)據(jù)庫組態(tài)控制策略響應(yīng)曲線（由于時間緊迫，且調(diào)節(jié)時間過長，故不能保證調(diào)節(jié)時間，只能保證穩(wěn)態(tài)誤差小天1%）穩(wěn)態(tài)值在42.50與43.69之間波動，滿足穩(wěn)態(tài)誤差1度的要求！第4章Smith預(yù)估補償控制4．1Smith預(yù)估補償器原理純滯后現(xiàn)象通常是傳輸問題所引起的。這里所說的純滯后問題，是指在被控對象上所能檢測到的參數(shù)是包含純滯后在內(nèi)的參數(shù)，而不包含純滯后在內(nèi)的中間參數(shù)是不能檢測的。如果純滯后環(huán)節(jié)處在控制系統(tǒng)內(nèi)，則控制質(zhì)量會急劇變差，如果能夠采取某些方法，將純滯后環(huán)節(jié)排除在控制系統(tǒng)之外，則會提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。假定廣義對象的傳遞函數(shù)為：（1—1）式中的對象傳遞函數(shù)中不包含純滯后的那一部分。這種補償辦法是在廣義對象上并聯(lián)一個分路，設(shè)這一分路的傳遞函數(shù)為，如圖1.1所示：令并聯(lián)后的等效傳遞函數(shù)為，即：(1—2)因此,由式(1—2)可得到:

=(1—3)上式即是為了消除純滯后的影響所應(yīng)采用的補償器模型。我們稱之為史密斯補償器。如果對象有純滯后,其其遞函數(shù)為，對其構(gòu)成單回路系統(tǒng)，其方塊圖如圖.2所示。如果補償之后能夠?qū)⒓儨蟓h(huán)節(jié)排除在系統(tǒng)環(huán)路之外，就達到了發(fā)送控制系統(tǒng)質(zhì)量的目的，補償之后的方塊圖如圖1.3所示。史密斯補償器的傳遞函數(shù)前已導(dǎo)出為：=將史密斯補償器傳遞函數(shù)代入后，方塊圖1.4可畫成圖1.5形式圖1.5是具有純滯后的對象加上史密斯補償后構(gòu)成的單回路系統(tǒng)的等效方塊圖。從圖1.5不難看出Y與Y1的變化相同，只是在時間上相差一個時間，因此，在給定值R作階躍變化時，Y1與Y在過渡過程形狀和系統(tǒng)品質(zhì)指標方面都完全相同。再從圖1.5所示系統(tǒng)本身來考慮，Y對系統(tǒng)響應(yīng)的過渡過程與Y1也是完全相同的，所不同的只是響應(yīng)時間比Y1向后推遲了一個純滯后時間。由控制原理可知，系統(tǒng)中沒有純滯后的Y變化比系統(tǒng)中有純滯后的Y的變化要小，控制質(zhì)量要高。而圖1.5中Y的變化與系統(tǒng)中沒有純滯后的Y變化相現(xiàn)，只是在職響應(yīng)時間上向后推遲了一個時間，因此，圖1.5系統(tǒng)與圖1.3系統(tǒng)相比，控制質(zhì)量要高。這就是說，在具有純滯后對象上加入史密斯補償環(huán)節(jié)后，控制質(zhì)量會獲得提高。需要指出的是：在實際應(yīng)用中為了便于實施，史密斯補償器是被反向并聯(lián)于控制器，顯然它與圖1.4是等效的。4.2對象特性測試首先我們先了解一下建立數(shù)學模型的方法（1）機理分析法（2）響應(yīng)曲線法我們所要用的主要是第二種方法，下面介紹一下它的原理：通過改變調(diào)節(jié)閥開度使過程輸入量發(fā)生階躍變化，將被控變量用記錄儀或其他辦法記錄下來，然后根據(jù)響應(yīng)曲線求取過程輸入與輸出之間的關(guān)系。先假定數(shù)學模型的結(jié)構(gòu)，再確定具體參數(shù)。對于大多數(shù)過程來說，?？山瓶闯梢浑A或二階加純滯后，或者確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)如圖所示，圖參考<<過程控制書>>P21。當，階躍響應(yīng)的曲線斜率最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，則可認為此時是一階環(huán)節(jié)，需要確定及。設(shè)輸入信號幅值為，由階躍響應(yīng)曲線可定出，于是通過t=0這一點作階躍響應(yīng)曲線的切線，交穩(wěn)態(tài)值的漸進線于A點，則OA在時間軸上的投影即為時間常數(shù)。2.確定一階加純滯后環(huán)節(jié)的特性參數(shù)如圖所示，圖參考<<過程控制書>>P21當階躍響應(yīng)曲線在t＝0時，斜率為0，隨著t的增加，其斜率逐漸增大；當達到拐點斜率又慢慢減小，可見該曲線的形狀為S形，可以用一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來近似。確定，，的方法如下：在階躍響應(yīng)變化速度最快處（即拐點處）作一切線，交時間軸于B點，交穩(wěn)態(tài)值的漸近線于A點。OB即為過程的滯后時間，BA在時間軸上的投影BC即為過程的時間常數(shù)。對象放大系數(shù)的求取方法同一階環(huán)節(jié)。3.對象特性怎么測？在某一平衡點上，加一階躍變化，在新的平衡點上測出輸出的變化。孝子號（1）在控制輸出電流2MA情況下，測出溫度Y1，自然冷卻平衡，電源功率P1，流動水帶走的，散熱到空氣中，內(nèi)膽水吸收，溫度為Y1。（2）控制電流4MA，測出溫度Y2，自然冷卻平衡電源功率P2，流動水帶走的，散熱到空氣中，內(nèi)膽水吸收，溫度為Y2。（3）增益K的確定K=￡Y/￡X=Y2-Y1/（（P2-P1）*T/（L*C））〈=1C：比熱內(nèi)膽本身滯后盤管滯后對象特性(傳遞函數(shù))的獲取:

我們此次的實驗對象是鍋爐內(nèi)膽循環(huán)水加盤盤管,測溫點有兩個,一個為鍋爐出水口,用TE101測試代替,一個為盤管出水口,用TE201測試，下圖為TE201測試特性測試加熱絲輸入為0mA加熱絲輸入為4mA,最后平衡。在生產(chǎn)過程中常會出現(xiàn)當輸入量改變后,過程的輸出量并不立即跟著響應(yīng),而是要經(jīng)過一段時間后才能作出反映,純滯后時間就是指在輸入?yún)?shù)變化后,看不到系統(tǒng)對其響應(yīng)的這段時間.當物流沿著一條特定的路徑傳輸時,就會出現(xiàn)純滯后,路徑的長度和物流的速度是構(gòu)成純滯后的因素。本實驗是以盤管出水口水溫為系統(tǒng)的被控制量，并要求它等于給定值。鍋爐內(nèi)膽的水以恒定速度流至盤管。設(shè)由鍋爐內(nèi)膽到盤管出水口的管道長度為L米，熱水的確良流速為Vm/s,則內(nèi)膽流出的水要經(jīng)過τ秒后才能到達被控點，其中τ=L/v(s)。如果忽略熱水在盤管內(nèi)流動的熱損耗，則可以近似地把盤管視為一純滯后環(huán)節(jié)，它的傳遞函數(shù)為相應(yīng)的頻率特性為由上式可知，不同大小的τ值，將對系統(tǒng)的動態(tài)性能產(chǎn)生不同程度的影響。消除純滯后對系統(tǒng)的不良影響的方法之一是采用Smith預(yù)估補償器，但這種方法的有效性是建產(chǎn)在能精確確定對象數(shù)學模型的基礎(chǔ)上。另一種常用的方法是常規(guī)PID控制，只要參數(shù)整定得當，也能取得良好的控制效果。4.3實驗步驟：1、根據(jù)圖完成實驗系統(tǒng)的接線。2、接通總電源和相關(guān)儀表的電源。3、給鍋內(nèi)膽注滿水，并把水溫預(yù)熱到期為25度左右（些時調(diào)節(jié)器為手動輸出）4、打開閥HV02、HV07、HV17、HV12、HV06；關(guān)閉閥HV03、HV08、HV09、HV13、HV16。按單回路參數(shù)的整定方法，初步整定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。5、當鍋爐內(nèi)膽水溫為25度左右時，把調(diào)節(jié)器由手動切換為自動，同時打開手閥，使水以恒定的流速流至盤管出水口。6、根據(jù)上位機記錄的輸出響應(yīng)曲線，對PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進一步修正，以進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。7、待系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，將給定值改變5%~15%（作階躍擾動），觀察并記錄輸出量響應(yīng)曲線。第5章總結(jié)本設(shè)計主要以PLC為核心，利用PLC的強大的控制功能，實現(xiàn)了對溫度的控制。鍋爐溫度控制系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點，采用傳統(tǒng)PID控制方案很難取得較好的控制效果。本文采用smith預(yù)估補償?shù)目刂品桨福碚撋峡梢杂行У亟鉀Q了大滯后系統(tǒng)帶來的不利影響，并具有比較好的控制品質(zhì)。但由于實驗分析，我們實驗室鍋爐并非大純滯后對象，故在此，PID控制也可以取得好的控制效果。通過本次設(shè)計，我受益匪淺，無論在學習還是生活中都保持認真的態(tài)度。更重要的是，我更了解了有關(guān)工控組態(tài)技術(shù)和PLC計算機控制系統(tǒng)。這個設(shè)計，讓我有了能更深刻的了解PLC的機會。做設(shè)計就要到現(xiàn)場調(diào)查研究收集資料，閱讀文獻，分析對比，設(shè)計計算，對每一個數(shù)據(jù)都要細心琢磨，理論和實踐相結(jié)合，思考的越多，得到越多，