滞后控制系统设计

i课程设计任务书学院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名班级学号0903010127课程设计题目THFCS-1型实验装置----滞后控制系统设计1实践教学要求与任务:1）构成THFCS-1滞后控制系统2）硬软件设计3）实验调试4）THFCS-1现场总线控制系统实验5）撰写实验报告工作计划与进度安排:1）第1～2天，查阅文献，构成THFCS-1滞后控制系统2）第3～4天，硬软件设计3）第5～6，实验调试4）第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验5）第10天，撰写实验报告指导教师：201年月日专业负责人：201年月日学院教学副院长：201年月日i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I目录引言............................................................................................................................................1第1章课程设计基本资料......................................................................................................21.1软硬件平台.............................................................................................................21.2控制方案.................................................................................................................21.3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...................................................................................................74．1Smith预估补偿器原理........................................................................................74.2对象特性测试.........................................................................................................94.3实验步骤：...........................................................................................................12第5章总结............................................................................................................................13参考文献..................................................................................................................................141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。2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/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/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3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。4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TE1015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6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！7第4章Smith预估补偿控制4．1Smith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：sOPSSGGe（1—1）式中SGP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SGk，如图1.1所示：+YPeGsPSSGk图1.1纯滞后的补偿原理图令并联后的等效传递函数为SGP，即：PP=GSGS=GSKGS(1—2)因此,由式(1—2)可得到:SGk=SGP)1(es(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sPSGe，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8统质量的目的，补偿之后的方块图如图1.3所示。+YReGsPS图1.2有纯滞后系统方框图CSG+YR图1.3有纯滞后系统补偿后等效方块图CSGPSGse史密斯补偿器的传递函数前已导出为：SGk=SGP)1(es+YR图1.4具有补偿器的单回路系统CSGeGsPSSGk+RY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+YR图1.5史密斯补偿等效方块图CSGPSGseY19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，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。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，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SGk是被反向并联于控制器SGC，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，()1sKGseTs或者12()(1)(1)sKGseTsTs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10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00)0()(xyyK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，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