文档介绍：摘要
本文阐述了PID水位控制系统的工作原理及Smith预估控制的原理和设计方法,并详细介绍了当今Smith预估控制的改进研究。针对单回路Smith预估控制水箱液位的设计,从软硬件两方面介绍其实现方法,同时通过Simulink做出了仿真与模拟;在西门子S7300上利用PLC与step7编程设计完成了单回路的水位控制。
本文首先介绍了Smith预估控制的意义所在,然后分析其前景,通过介绍基于模糊控制的Smith预估器的改进、基于改进Smith预估器的一阶时滞系统和改进的自适应Smith预估控制系统向读者展现了Smith控制系统的应用领域。其次,介绍了控制对象,建立了了数学模型,通过Simulink设计出smith预估控制器,介绍了Smith的参数整定分析。通过仿真模拟在排除实验设备的误差干扰下,实现了Smith预估的控制。最后结合实验设备和界面,搭建线路图,进行实验检验,进一步结合实际整定参数。验证后,证明设计的控制系统可以达到预期目的。
关键词:PID 、Smith预估控制、Simulink仿真、水位控制、参数整定
目录
摘要 - 1 -
一引言 - 2-
研究背景 - 2 -
设计任务及要求 - 3 -
二理论设计 - 4 -
控制系统可行性分析 - 4 -
史密斯(Smith)预估器 - 7 -
对象建模 - 10 -
单回路水位PID控制 - 15-
单回路水位Smith预估控制 - 20 -
仿真结果分析 - 24 -
三基于PLC单容水箱Smith预估控制设计……………………………- 24 -
实验设备介绍 - 24 -
单容水箱液位Smith预估控制系统组成结构 - 26 -
单容水箱Smith预估软件流程 - 28 -
单容水箱Smith预估接线图 - 31 -
四硬件连接及调试 - 32 -
设备 - 32 -
STEP 7 硬件组态 - 33 -
参数设置………………………………………………………- 34 -
五总结 - 37 -
六体会与心得 - 37 -
七参考文献 - 39 -
一引言
在实际生产过程控制系统中,由于物料的传递控制系统等使得系统中的被控制量往往存在延时,如在石油、制药、化工、造纸等行业的过程控制中存在许多具有纯滞后特性的被控对象,即当输入变量改变后,系统输出并不立即改变,而要经过一段时间后才反映出来,这段时间即为纯滞后时间。纯滞后占整个动态过程的时间越长,控制的难度越大。在这些过程中,由于纯延迟的存在,使被控量不能及时反映系统所承受的扰动,只有在延迟t以后才能反映到被调量,控制器产生的控制作用也不能立即对干扰产生抑制作用,必然会使系统产生较明显的超调量和持续的振荡。
物料传递是生产过程和科学实验中普遍存在且十分重要的物理参数。在工业生产过程中,为了高效的进行生产,必须对生产工艺过程中的主要参数如流量、液位、压力、温度等进行有效的控制。其中液位控制在化工生产过程中有比较大的比例。由于液位控制具有工况复杂,控制滞后等特点,其对控制调节器要求极高。准确的测量和精确的液位控制是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。在工业的控制和生产中,为了保证生产过程的稳定运行并提高控制精度,采用计算机控制是一种重要途径。它的作用主要是改善劳动条件,节约能源,防止生产和设备事故,以获得好的技术指标和经济效益。
液位调节系统含有大滞后环节的闭环控制系统一般会存在较大的超调量和较长的调节时间。水泵及进水管道还具有大惯性、非线性、参数时变的特点。水箱的水位上升是依靠变频电机驱动水泵的供水,水位下降则依靠排水阀出水,很难用数学方法建立精确的模型,应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。解决工业控制对象的大时滞、参数时变、非线性给控制带来的不利影响,达到较好的控制效果,对于保证安全生产,实现工业过程的连续化、高效率、低消耗,提高产品质量与经济效益等起着举足轻重的作用。
在工业过程控制中,由于物料的传输存在延迟,使得被控对象具有滞后性质,对象的这种滞后性质对控制提出了严峻的挑战。解决纯滞后问题的方法很多,最简单的方法就是常规PID控制器的参数进行反复仔细的整定,但是这种方法只适用于控制要求不太苛刻的情况下。而Smith预估控制策略是由美国学者OJ Smith题出的,它是针对纯滞后问题的有效控制方法,本次设计主要是来采用Smith预估控制策略来一定程度地解决水位滞后问题。其中重点研究CS4000过程控制系统实验装置中水箱液位控制的结构与控制特点,对水箱液位控制系统进行建模分析,深入