过程控制课程设计 双容水箱Smith预估控制
过程控制双容水槽课程设计
目录1.选题背景 (2)1.1社会背景及指导思想 (2)1.2设计任务要求 (2)2.被控系统建模 (2)2.1水箱模型的分析 (2)2.2阶跃响应曲线法确定模型参数 (3)3.控制系统的设计和仿真 (7)3.1整定参数 (7)3.1.1整定方法 (7)3.1.2整定步骤 (7)3.2控制系统仿真 (9)3.2.1单回路闭环系统设计 (10)3.2.2串级控制系统设计 (10)3.2.3阶跃响应性能 (11)3.2.4抗扰动能力 (12)4.设计结果及分析 (13)4.1性能指标测定 (13)4.2 PID参数整定规律 (14)5.设计总结 (14)参考文献 (15)1.选题背景1.1社会背景及指导思想在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理、冶金等行业尤为重要。
在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。
双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽。
下水槽水的流出量由用户根据需要改变，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。
1.2设计任务要求综合运用本课程和其他相关知识，运用机理建模法建立双水槽对象的数学模型，分析其动静态特性和影响下水槽液位的主要干扰因素并设计出一液位控制方案，实现液位的准确控制。
最后进行仿真研究。
2.被控系统建模2.1水箱模型的分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到。
CS4000型DDC实验指导书
CS4100高级过程控制实验装置DDC实验指导书目录1.水箱对象系统实验实验一、单容水箱对象特性测试实验 (3)实验二、双容水箱对象特性测试实验 (9)实验三、单容水箱液位PID控制实验 (14)实验四、双容水箱液位PID控制实验 (22)实验五、单回路流量PID控制实验 (26)实验六、流量比值控制实验 (30)实验七、双容水箱液位串级PID控制实验 (37)实验八、前馈反馈控制实验 (42)实验九、双容水箱S MITH预估控制实验 (47)实验十、四水箱解耦控制实验 (52)2.温度对象系统实验实验一、温度特性测试实验 (59)实验二、加热水箱温度二位式控制实验 (65)实验三、短滞后环节温度二位式控制实验 (70)实验四、长滞后环节温度二位式控制实验 (75)实验五、加热水箱温度PID控制实验 (80)实验六、短滞后环节温度PID控制实验 (84)实验七、长滞后环节温度PID控制实验 (88)实验八、温度滞后S MITH预估控制实验 (92)1.水箱对象系统实验实验一、单容水箱对象特性测试实验一、实验目的1、了解单容对象的动态特性及其数学模型2、熟悉单容对象动态特性的实验测定法3、掌握单容水箱特性的测定方法二、实验设备1、四水箱实验系统硬件平台2、四水箱实验系统DDC 实验软件3、PC 机（Window XP Professional 操作系统）4、其它：连接线等三、实验原理全面地分析和测定调节对象的特性，是设计一个自动控制系统的首要前提。
一般研究调节对象特性的方法有两种：分析法和实验测定法。
分析法通过分析过程的机理、物料和能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的数学描述；实验测定法通过实验测定，对取得的数据进行加工整理而求得对象的数学模型。
下面分别应用这两种方法对单容对象的动态特性进行分析，并给出单容水箱对象特性的一种实验测定法。
1、单容对象的动态特性及其数学模型以单容水槽水位调节对象为例，分析其动态特性和数学模型。
双容水箱-过控课程设计报告-上海电力_图文(精)
《过程控制系统设计》课程设计报告姓名:学号: XXXXXX 班级: XXXXXXXX 指导老师:设计时间:2014年 1月 11日 ~1月 15日第一部分双容水箱液位串级 PID 控制实物实验时间:同组人:一、实验目的1、进一步熟悉 PID 调节规律2、学习串级 PID 控制系统的组成和原理3、学习串级 PID 控制系统投运和参数整定二、实验原理(画出“ 系统方框图” 和“ 设备连接图”1、实验设备:四水箱实验系统 DDC 实验软件、四水箱实验系统 DDC 实验软件2、原理说明:控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值,这样连接起来的两个控制器称为“串级” 控制器。
两个控制器都有各自的测量输入, 但只有主控制器具有自己独立的设定值, 只有副控制器的输出信号送给被控对象, 这样组成的系统称为串级控制系统。
本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图 1所示:图 1 双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量:y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的副变量:y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量主对象:下水箱;副对象:上水箱主控制器:PID 控制器 1,它接受的是主变量的偏差 e1,其输出是去改变副控制器的设定值副控制器:PID 控制器 2,它接受的是副变量的偏差 e2,其输出去控制阀门主回路:若将副回路看成一个以主控制器输出 r2为输入,以副变量 y2为输出的等效环节,则串级系统转化为一个单回路,即主回路。
副回路:处于串级控制系统内部的,由 PID 控制器 2和上水箱组成的回路串级控制系统从总体上看, 仍然是一个定值控制系统, 因此, 主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比, 在结构上从对象中引入一个中间变量(副变量构成了一个回路,因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有:1 副回路的干扰抑制作用:发生在副回路的干扰,在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2 主回路响应速度的改善:副回路的存在,使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小, 从而改善了主回路的相应速度3 鲁棒性的增强:串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4 副回路控制的作用:副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见,串级控制是改善调节过程极为有效的方法,因此得到了广泛的应用。
Smith预估器控制设计【计算机课程设计专用】
b)电流输出，稳定时间为1s
c)可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入,单一电源供电
DA转换器的电路设计：
(1)参考电压选择+5V，直接与供电电源相连。
(2)选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：
uchar UK0,UK1;//分别为k，k-1时刻的控制器的输出
uchar EK0,EK1;//分别为k,k-1时刻的AD的输入
uint i=0;
uchar in0=0; //系统输入采样
void delay(uchar time)//延时
{
uchar i,j;
for(i=0;i<time;i++)
OE=0;
return value;
}
main()
{
C1K0=C1K1=C1K2=C1K3=C1K4=C1K5=C1K6=C1K7=C1K8 =C1K9=C1K10=C1K11=C1K12=0; //系统初始化
UK0=UK1=0;
CK1=0;
EK1=0;
wr=0;
rd=0;
ST=0;
OE=0;
TMOD=0X01; //定时器0控制方式1,16位的定时器计数器
EK1=EK0;
DAC08=0X58;
TH0=0X9E; //延时50ms
EA=1;
}
六、设计工作总结
采用带Smith预估器控制的设计与传统的PID控制设计相比，大大的减少了响应曲线的超调，同时也加快了系统的响应过程，增加了系统的稳定性，使系统逐渐趋于稳定，达到了预期控制的目的。
{
双容SMITH设计任务书1(1)
+ _
Gc(s)
u (s)
+
广义对象
+
ym (s)
ysm (s)
+ +
Gm ( s )
1 Tf s 1
Gm ( s )e m s
_
+
改进型Smith补偿器
图 3 Smith 预估控制系统框图
由上图可见， ysm s 为对象的无滞后预估输出，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的滤波处理。 工作内容及要求: 1、双容水箱对象的原理分析 熟悉四水箱实验系统硬件平台，分析双容水箱控制系统的组成、工作原理、数学 模型的典型形式。 2、双容水箱动态特性及其数学模型的建立 通过实验测量并绘制双容水箱液位的飞升曲线，计算双容水箱数学模型并分析其 特性。 3、双容水箱改进型 Smith 预估液位控制设计及仿真研究 建立改进型 Smith 预估液位控制系统的控制结构，确定放大系数、时间常数、滞 后时间和滤波时间并在 matlab 环境下进行仿真研究，得到较为满意的结果。 4、控制策略实现 将设计的控制策略在 CS4000 DDC 实验系统下进行实验。阀门开度信号做阶跃变 化时，绘制输出液位趋势曲线，分析系统的控制性能，计算在较佳控制参数下的超调 量、过渡时间和衰减比等特性参数，讨论 Smith 控制器参数对控制效果的影响，讨论 系统的抗扰性能。 设计成果要求： 1、完成所有设计内容：包括双容水箱系统组成原理分析、液位对象数学建模、 改进型 Smith 预估控制原理的分析、改进型 Smith 预估液位控制策略设计及仿真研究、 CS4000 实验系统控制策略实现等。
Gp s
K e s Ts 1
双容水箱液位控制系统设计与实现34页PPT
采用控制变量法，在测定某一列两个元素过程中，相应水箱入水流 量阶跃变化而另一个水箱的入水流量保持不变，从而得到液位变化曲 线
W 11 ( s )与W21 (s)的辨识
利用控制变量法，首先辨识矩阵中第一列的两个元素，即：在保证 水泵输入电压PWM占空比不变情况下，改变电磁阀开度得到液位变 化曲线.
‒MATLAB/Simulink
利用MATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制
2.被控对象与控制器设计模型 2.1 控制系统与被控对象组成
2.2 被控对象模型
被控对象组成
被控对象模型是从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液 位的过程，包括三部分：
1. 水泵PWM占空比 u 2 到总流量 Q in 2.电磁阀开度 u 1 到一号水箱入水流量 Q in 1 3.各流量到双容水箱液位 y 1 和 y 2
软件平台
‒EasyControl 控制软件平台
特点： 1. 用于开放式结构的快速控制原型开发、 硬件样机在线测试，有效地缩短开发周 期，保证系统柔性； 2. 由于可以采用实时在线测试，应用于 难以建立精确数学模型的系统，可以降 低建模和控制器设计的难度； 3. 与MATLAB系统的无缝集成，便于 开发者使用MATLAB中的各种先进算法； 4. 该软件通过与TCP/IP网络的集成性， 可应用于网络控制，远程设置控制方案， 便于调试和升级。
Qin1
2号流量计
u1
比例阀门
Qin2
2号进水阀
A1
1号水箱
H1
1号泄水阀
Qout1
Q0
基于斯密斯PID的双容水箱控制
摘要当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。
反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。
测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。
反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的纠正和调节。
目前大部分控制方法都需要建立比较精确的数学模型，但双容水箱控制系统内参数变化的非线性特性使建立的模型精度受到一定的影响；而模糊控制技术不需要建立精确地数学模型，解决多变量非线性系统具有明显的优点。
为此，针对双容水箱控制系统的多变量、非线性和难建模等特性，将模糊控制与PID控制的优势相结合，实现了对双容水箱控制系统参数的有效控制。
该系统的各项性能指标良好，遇到干扰可以进行自我调整，具有一定的自适应性。
本文是针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。
首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。
最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。
同时，在MATLAB下，利用Fuzzy工具箱和Simulink仿真工具，对系统的稳定性、反应速度等各指标进行分析。
关键词：双容水箱控制系统；模糊控制；PID控制AbstractToday's automatic control technology most part is based on feedback. Feedback theory includes three basic elements: measurement, comparison and execution. Measurement is concerned with the variable, and compared with expectations, in order to correct deviation and adjust control system response. Feedback theory and its application in automatic control of the key is: make the correct measurement and comparison, the deviation of the system used for how corrective and regulation.Now most of the control method need to build more accurate mathematical model, but double let water tank control system parameters changes within the non-linear characteristics make the model accuracy by certain influence; And the fuzzy control technology does not need to build an accurate mathematical model and solve the multivariable nonlinear system has obvious advantages. Therefore, in view of the double let water tank of multivariable control system, nonlinear and difficult modeling features, the fuzzy control with PID control superiority, and the combination of realized on the double let water tank control system to effectively control the parameters.This paper is aimed at double let water tank delay system, PID method to control. First of PID control of the parameters in the role of analysis, the root trajectory correction, Byrd figure correction method, the system calibration. At last, we used to adjust the system of fuzzy PID control of the control method, the second order system is controlled. At the same time, in the MATLAB, the use of Fuzzy toolbox and Simulink tool, the stability of the system, the reaction speed and so on various indicators analyzed.Keywords: double let water tank control system; Fuzzy control; PID control第一章 PID控制原理1.1 PID的概念PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的应用。
自动控制课程设计双容水箱液位串级控制
自动控制课程设计课程名称：双容水箱液位串级控制学院：机电与汽车工程学院专业：电气工程与自动化学号：631224060430姓名：颜馨指导老师：李斌、张霞2014/12/30目录纲要.......................................................... (2)1前言.......................................................... (2)2对象剖析和液位控制系统的成立 (2)水箱模型剖析 (2)阶跃响应曲线法成立模型 (3)控制系统选择 (3)【2】3控制系统性能指标.............................................方案设计.......................................................4串级控制系统设计 (4)被控参数的选择 (4)控制参数的选择 (5)主副回路设计 (5)控制器的选择 (5)3PID控制算6法...............................................................PID算法 (6)PID控制器各校订环节的作用 (6)4系统仿真............................................ (7)系统构造图及阶跃响应曲线 (7)PID初步伐整 (10)PID不一样参数响应曲线 (12)系统阶跃响应输出曲线 (17)5加有扰乱信号的系统参数调整 (20)6心得领会..................................................................227参照文件..................................................................22纲要液位控制是工业生产以致平时生活中常有的控制，比方锅炉液位，水箱液位等。
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过程控制课程设计---双容水箱Smith预估控制班级姓名学号指导老师日期扬州大学信息工程学院目录一、课程设计意义和目的 (2)二、课程设计设备 (2)三、课程设计原理 (4)四、课程设计步骤 (6)五、注意事项 (8)六、实验结果 (8)七、心得体会 (11)八、参考文献 (12)一、课程设计意义和目的1、了解纯滞后过程及其影响2、学习smith控制的原理3、掌握smith控制器的整定方法二、课程设计设备1、四水箱实验系统DDC实验软件软件功能说明：四水箱DDC实验软件的核心调度程序实现了数据的采集和输出、数据的实时记录以及实时监控。
同时，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友好的人机交互界面，包括：首页界面、实验界面、控制器界面、趋势界面和I/O设置界面。
通过这些友好的界面，学生可以在过程控制实验装置实现经典和先进的控制方案。
如上图所示，首页界面为整个软件的导航界面，当软件正确安装并正常启动后，将进入此画面，其主要功能有：2、PC机（Windows 2000 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改变后，输出变量并不立即改变，而要经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的这段时间。
当物质或能量沿着一条特定的路径传输时就会出现纯滞后，路径的长度和运动速度是决定纯滞后大小的两个因素。
纯滞后环节对任何信号的响应都是把它推迟一段时间，其大小等于纯滞后时间，纯滞后环节的数学描述为：()ss τ-=λG （19－1）2、 Smith 预估算法设一个控制系统，对象特性为：()ss P P PC G G τ-=λ（19－2）这里将对象分成两部分P G 和sP τ-λ，设这两部分之间有变量B ，如果能将B 检测出来，则可以按下图构造简单的反馈控制系统图 19－1 理想的纯滞后过程的单回路控制如上图所示，由于B 信号没有滞后，所以系统响应将会大大地改善。
然而因为B 是不能直接检测的，只有用过程模型才能将它推算出来。
Smith 预估器的实质是借助于过程模型推算出滞后环节前的输出，以实现没有纯滞后的反馈控制。
本仿真系统采用了改进型的Smith 预估控制器，其组成的控制系统如下图所示：D (s)图 19－2本仿真系统的Smith预估控制系统框图由上图可见，()sy为对象的无滞后预估输出，其中此控制器加入了sm对实际输出信号与预估模型输出信号误差的滤波处理。
3、Smith控制器的整定从本仿真系统的Smith预估控制系统框图可以看出，此改进型Smith 预估器的参数整定主要涉及对象模型参数的获得，因此其整定的步骤如下：A获得对象的数学模型用飞升曲线法，测得被控对象的特性曲线，然后通过分析曲线特性获得对象的数学模型。
B将模型参数作为Smith控制器的参数C根据实际的控制效果，调整参数，直至达到较佳的控制效果四、课程设计步骤1、按下图接线左下水箱液位右下水箱液位左上水箱液位右上水箱液位加热水箱水温短滞后水温长滞后水温调节阀开度变频器频率加热功率主管电磁流量副管涡轮流量AI0AI1AI2AI3A01DDC控制+ -+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-AI4AI5AI6AI7AO0+-AO3+-AO2+-2、进入Smith实验界面运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；选择实验模式为“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、选择控制回路A、选择对象在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：从两个回路中任选一个。
B、组成控制回路当选择“Smith回路1”时，打开进水阀K31，关闭其它进水阀；当选择“Smith回路2”时，打开进水阀K41，关闭其它进水阀。
4、初始化控制系统i.将PID控制器设置成手动单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签弹出PID控制器界面后，单击PID控制器界面的“手动”按钮ii.设定工作点设置控制器输出MV（U1）5、设置PID控制器参数根据对象特性，设置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置界面中，具体参见前面的实验6、设置Smith控制器参数a、按实验原理部分描述的方法，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Tfb、将参数输入控制器中单击实验界面相应控制回路的Smith控制器，弹出Smith控制器界面，然后单击Smith控制器界面的“参数设置”按钮，弹出Smith控制器参数设置界面，如下图所示：通过键盘，输入模型参数7、PID控制器投入运行将PID控制器设置成自动，单击PID控制器的“自动”按钮8、查看控制效果通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，查看趋势曲线根据趋势曲线，适当修改PID控制器参数，以达到较佳控制效果9、结果分析根据记录的实验数据，分析Smith预估器的预估效果，将其与双容水箱液位PID控制器的效果相比较，并分析之。
五、注意事项四水箱实验系统DDC实验软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库”不在使用。
六、实验结果根据对象特性，设置PID控制器参数，记录如下：P＝1I＝60D＝6设置Smith控制器参数按实验原理部分描述的方法，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有的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的特点。
可见，对其研究有一定的意义。
仿真结果也表明，Smith 预估控制应用于大滞后的的双容水箱系统，具有较好的控制效果。
七、心得体会和学别的学科一样，在学完PLC理论课程后我们做了课程设计，此次设计以分组的方式进行，每组有一个题目。
我们做的是一个双容水箱smith预估控制设计。
由于平时大家都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。
但通过各方面的查资料并学习。
我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法。
分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。
通过这次设计实践。
我学会了如何控制，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。
在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我们把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。
能过解决一个个在调试中出现的问题，我们对PLC 的理解得到加强，看到了实践与理论的差距。
通过合作，我们的合作意识得到加强。
合作能力得到提高。
上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人负责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，和提出意见，同时我们还向别的同学请教。
在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。
能过比较选出最好的方案。
在这过程也提高了我们的表过能力。
在设计的过程中我们还得到了老师的帮助与意见。
在学习的过程中，不是每一个问题都能自己解决，向老师请教或向同学讨论是一个很好的方法，不是有句话叫做思而不学者殆。
做事要学思结合。
有的初学者在理论上花了很多功夫，结果半年下来还是没有把PLC搞懂，其实他们只是缺少了一些PLC的实践经验，通过此次课程设计，大家很快就掌握PLC这项技术了。
开始阶段可以先学习一种品牌的PLC，因为所有的PLC原理都是差不多的，掌握了一种PLC其它的只要翻阅一下手册也就能上手使用了。
经过了这样的实践，基本上知道PLC到底能做哪些事情了，在实际的工控应用中就能做到胸有成竹了。
通过此次课程设计，我们能够将理论结合实践，在实践中应用理论，从而更加有助于理解，最用才能达到应用的地步!八、参考文献（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，2003（3）、金以慧，过程控制，北京：清华大学出版社，1993（4）、陈在平，杜太行控制系统计算机仿真及CAD，天津：天津大学出版社，2001 （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，2008（6）、薛毅，数学建模基础，北京：工业大学出版社，2004。