基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计 - 课程设计任务书 - 图文

基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计

课程设计任务书

学 院 学生姓名 课程设计题目 专 业 班级学号 基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计 实践教学要求与任务: 1）构成电阻炉温度控制系统 2）SMITH-PID算法设计 3）理论分析与设计 4）仿真实验 5）THFCS-1现场总线控制系统实验 6）撰写实验报告 工作计划与进度安排: 1） 2） 3） 4） 5） 6） 第1～2天，查阅文献，构成闭环温度控制系统 第3天，SMITH-PID算法设计 第4天，理论分析与设计 第5～6天，仿真实验 第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验 第10天，撰写实验报告 指导教师： 专业负责人： 学院教学副院长： 201 年 月 日 201 年 月 日 201 年 月 日

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基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计

目录

摘要 .................................................................................................................................................. 3 第1章 课程设计方案 ..................................................................................................................... 1

1.1 概述 .................................................................................................................................... 1 1.2 系统组成总体结构 ............................................................................................................ 1 第2章 硬件设计 ............................................................................................................................. 2

2.1器件选择 ............................................................................................................................. 2 2.2 控制器 ................................................................................................................................ 2 2.3电源部分 ............................................................................................................................. 2 2.4输入输出通道设计 ............................................................................................................. 3

2.4.1温度输入电路 .......................................................................................................... 3 2.4.2信号输出电路 .......................................................................................................... 3

第3章 软件设计 ............................................................................................................................. 5

3.1系统流程图 ......................................................................................................................... 5 3.2 PID算法流程图 ................................................................................................................. 6 3.3程序流程图 ......................................................................................................................... 7 第4章 常规PID控制器设计 ........................................................................................................ 8

4.1 PID概述 ............................................................................................................................. 8 4.2数字PID控制器 ................................................................................................................ 8 4.3 PID调节器参数对系统性能的影响 ................................................................................. 9 第5章 温度控制系统的smith预估控制器设计 ........................................................................ 11

5.1史密斯（smith）预估控制 .............................................................................................. 11 5.2史密斯控制器方案设计 ................................................................................................... 13 第6章 Smith预估补偿控制的Matlab仿真与实验 ................................................................... 16

6.1 Matlab仿真软件的介绍 .................................................................................................. 16 6.2采用Matlab系统仿真 ..................................................................................................... 16 第7章 锅炉夹套水温pid控制系统 ............................................................................................ 17

7.1 课程设计目的 .................................................................................................................. 17 7.2 被控对象 .......................................................................................................................... 17 7.3 检测仪表 .......................................................................................................................... 18 7.3 执行机构 .......................................................................................................................... 18 7.4 控制原理框图 .................................................................................................................. 19 7.5 实验内容与步骤 .............................................................................................................. 20 第8章 组态软件界面、逻辑、代码 ........................................................................................... 23

8.1 MCGS组态软件 .............................................................................................................. 23 8.2 组态软件设计 .................................................................................................................. 25 第9章 数据采集硬件系统构件、连线 ....................................................................................... 26

9.1数据采集硬件系统构件 ................................................................................................... 26 9.2硬件系统连线 ................................................................................................................... 26 第10章 实验结果曲线及分析 ..................................................................................................... 27 总结 ................................................................................................................................................ 29 参考文献......................................................................................................................................... 30

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基于SMITH-PID的电阻炉温度控制系统设计

摘要

现代工业生产过程中，不少工业对象存在着纯滞后时间。这种纯滞后时间或者是由于物料或能量传输过程中所引起的。或者是由于对象中多容积所引起的，或者是高阶对象低阶近似后所形成的等效滞后。

在纯滞后过程中，由于过程控制通道中存在纯滞后，使得被控量不能及时反映系统所承受的扰动。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和需要较长的调节时间，被公认为是较难控制的过程，其难控制程度将随着纯滞后工占整个过程动态时间参数的比例增加而增加。一般认为纯滞后时间?占对象的时间常数T之比大于0.3，则称该过程为大滞后过程。此外，大滞后会降低整个控制系统的稳定性。

从自动控制理论可知，对象纯滞后的存在对系统稳定性极为不利。特别是当?/T≥0.5时（?为纯滞后时间，T为对象的时间常数），若采用常规PID控制，很难获得良好的控制质量。对于纯滞后，普通的PID反馈控制系统并不能取得很好的效果，这是因为其控制效果无法通过反馈回路及时反馈，因而使得控制问题复杂化了。在归一化纯滞后时间较大的情况下要保持系统稳定性的唯一方法是缩小增益

KP

，然而这样作将会导致系统调节周期T变大，

系统响应变慢，从而降低了系统的调节性能。大惯量物体的一个明显特征是惯性滞后。通常在研究数控设备时，忽略其时滞效应。然而，精密定位控制的大惯量物体，其时滞效应是不容忽视的本文采用预估补偿方案，得出适合于数字伺服的控制算法，并与PID算法加以比较。计算机仿真结果表明，对大惯量带有时滞的系统，Smith预估补偿控制方案能得到优良的控制品质，是一种理想的控制方案。Smith预估控制的提出就较好地解决了这个问题，它通过在回路中加入Smith预估器，从而可以在环路中使用较大的增益而不使系统出现不稳定。随着质量分析仪表在线控制的推广应用，克服纯滞后已经成为提高过程控制自动化水平，改进控制质量的一个迫切需要解决的问题。Smith预估控制已经成为克服纯滞后的主要方法之一。

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第1章 课程设计方案

1.1 概述

加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制效果。本设计采用史密斯—PID算法进行温度控制来实现温度的较为精确的控制。

在用PID算法进行控制时，需要对参数进行整定，从史密斯算法表达式可知，参数的确定十分重要，其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制约关系。

1.2 系统组成总体结构

电加热炉温度控制系统原理图如图1.1，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。

系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V 的电压信号送入A/D 转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。

图1.1 电加热炉温度控制系统硬件结构框图

显示 测量变送 温度检测AD590 键盘A/D转换ADC0809 AT89C51 驱动执行机构 加热电炉丝

第2章 硬件设计

2.1器件选择

系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘、显示功能。8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。因此89C51可以完成设计要求。

2.2 控制器

单片机控制系统原理图如下图所示。微处理器采用51系列单片机AT89C51。单片机系统的硬件结构简单，调试方便。单片机系统主要I/O口的分配如下：89C51的P1口为温度信号的输入口，P0口为温度显示信号数据输出，P2口的P2.0端到P2.3端为显示信号的扫描，P2.4端口为执行信号输出口。

图2.1 控制器电路图

2.3电源部分

本系统所需电源有220V交流市电、直流5V电压和低压交流电，故需要变压器、整流装置和稳压芯片等组成电源电路。电源变压器是将交流电网220V的

第4章 常规PID控制器设计

4.1 PID概述

目前主要的控制方法有比例积分控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等。已经应用在温控领域的有PID控制、模糊控制、自适应控制以及PID控制与模糊控制和自适应控制相结合的一些方法，如Fuzzy-PID控制、Adaptive-PID控制、模糊自适应PID控制等。

R(t)+E(t)-比例+积分微分+U(t)+被控对象C(t)图4－1基本PID控制系统原理图

PID控温方法是基于经典控制理论中的调节器控制原理， 基本PID控制系统原理如图3-1所示。PID控制是最早展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统其中数字PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。

4.2数字PID控制器

在计算机控制系统中，PID控制规律的实现是采用数值逼近的方法。差分方程：

?e(t)dt??Te(i) （4-1）

0i?0tkde(t)e(k)?e(k?1) （4-2） ?dtT式中：T为采样周期 k为采样序号

所以由（1—4）式可知

Tu(k)?KP[e(k)?TI?e(i)?TDi?0ke(k)?e(k?1)] （4-3）

T同理

Tu(k?1)?KP[e(k?1)?TI?e(i)?TDi?0k?1e(k?1)?e(k?2)] （4-4）

T将（3—3）式成（3—4）式相减，可得PID控制算式

u(k)?u(k)?u(k?1)?KP[e(k)?e(k?1)]?KIe(k)?KD[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]?(KP?KI?KD)e(k)?(?2Kp?KD)e(k?1)?KDe(k?2)?KP(1?2TTTTD?)e(k)?KP(1?D)e(k?1)?KPDe(k?2)TITTT

?A0e(k)?A1e(k?1)?A2e(k?2)其中

A0=KP(1?TTD2TT?)，A1=?KP(1?D)，A2=KPD （4-5） TITTTPID控制算法有许多优点：

（1）由于计算机每次只输出控制增量（即对应执行结构位置的变化量），故机器无原发生故障时影响范围小，从而不会严重影响生产过程。

（2）手动一自动切换时冲击小。控制从手动到自动切换时，可以做到无忧动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。

（3）算式中不需要累加，控制增量u(k)的确定仅与最近K次的采样值有关，较容易获得比较好的控制效果！

4.3 PID调节器参数对系统性能的影响

（1）比例控制KP对系统性能的影响

a对动态性能的影响：比例控制KP加大，使系统的动作灵敏、速度加快；

KP偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当

KP太大时，系统会趋于不稳

定。若KP太小，又会使系统的动作缓慢。

b对稳定特性的影响

加大比例控制KP，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差，提高控制精

度，但加大KP只能减小误差，却不能完全消除误差。 （2）积分控制TI对控制性能的影响

a对动态特性的影响

积分控制TI通常使系统的稳定性下降，TI太小，系统将不稳定；TI偏小，震荡次数较多；TI太大，对系统性能的影响减小。当TI合适时，过度过程比较理想。

b对稳态性能的影响

积分控制TI能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但TI太大，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。 （3）微分控制TD对控制性能的影响

微分控制可以改善动态特性，如超调量的减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。

当TD偏大时，超调量较大，调节时间长； 当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长； 只有TD合适时，可以得到比较满意的过渡过程

第5章 温度控制系统的smith预估控制器设计

5.1史密斯（smith）预估控制

经典的PID控制理论经过多年的发展在工业控制方面得到了很大的青睐，但是经典的PID控制在系统具有较大纯滞后的时候其控制效果不是那么的理想，所以在经典的PID控制基础上再加上Simth控制器，在对具有大纯滞后环节的控制系统进行控制时起到了非常好的作用。

图5-1为具有纯滞后的对象进行传统PID调节的反馈控制系统，设对象的特性为：

Gpc(s)?Gp(s)e??s (5-1)

D(s)GD(s)+Gc(s)Gp(s)e-τR(s)+×+×Y(s)-图5-1 常规PID控制系统

其中，Gp(s)为对象传递函数中不含纯滞后的部分，调节器的传递函数 Gc(s)，Gc(s)为PID控制规律，干扰通道的传递函数为Gp(s)

系统给定作用下的闭环传递函数为

Gc(s)Gp(s)??sY(s) ?e (5-2)

R(s)1?GC(s)GP(s)系统对干扰的传递函数 （3-10）式的特征方程为

1?G(s)G(s)e??s (5-4) 在反馈回路中设计一个补偿回路，其传递函数为GL(s)，如图5-2所示。

GD(s)Y(s)?e??s (5-3) D(s)1?GC(s)GP(s)

D(s)GD(s)+Gc(s)Gp(s)e-τ+R(s)×-+×Y(s)YsGL(s)Y1×

图5-2 具有时间补偿的反馈控制系统

为了补偿对象的纯滞后，要求：

K??sG(s)?e (5-5) Ts?1 史密斯（Smith）补偿函数为

GL(s)?Gp(s)(1?e??s) (5-6) 于是，史密斯（Smith）预估控制结构图如图5-3所示。

D(s)GD(s)+Gc(s)Gp(s)e-τsR(s)×-++Y(s)×GL(s)e-τs-+×Ys++×Y1 图5-3 Smith控制结构图

经史密斯补偿后，纯滞后的影响已消除，从而使系统可以使用较大的调节增益来改变调节品质。

5.2史密斯控制器方案设计

10e?0.1s被控对象为G(s)?，画出系统框图，设计Smith数字预估器，已知

1?s纯滞后负反馈控制系统，其中

图5.2 系统框图

10e?0.1s其中D(s)为调节器传递函数，G(s)?为对象传递函数，其中

1?sG0(s)e

-0.1s

包含纯滞后特性,纯滞后时间常数τ=0.1。

系统的特征方程为：

10e?0.1s1?D(s)G(s)?1?D(s)?0

1?s由于闭环特征方程中含有e?0.1s项，产生纯滞后现象，有超调或震荡，使系统的稳定性降低，甚至使系统不稳定。

为了改善系统特性，引入Smith预估器，使得闭环系统的特征方程中不含有

e?0.1s项。

Smith纯滞后补偿的计算机控制系统为:

图5.3系统框图

1?e?Ts上图所示ZOH为零阶保持器，传递函数：Gh(s)?

s并且有：??lT（l为大于1的整数，T为采样周期）。

1.采样周期T的选择

采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。从信号保真度看，采样周期不

宜太长，即采样频率不应该过低。Shannon采样定理给出了下限角频率ωs ≧2ωmax，ωmax为原信号的最高频率；采样周期应尽可能的短，以使采样后的离散信号可以近似于连续信号，数字控制具有接近于连续控制系统的质量。但采样频率过高，将使得数据存数容量加大，计算工作量加大，并且采样频率高到一定程度，对系统性能的改善效果并不显著。所以，我们要找到一个最佳的采样周期。

纯滞后较大不可忽略时，可选择T在?/10附近，当纯滞后占主导地位时，可选择T约为τ，再加上参考课本上表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式，预选了l=2，3，5，10。但是在matlab仿真时，l=2,3系统发散，所以 还剩下l=5，10。考虑到采样频率过高，将使得数据存储容量加大，计算工作量加大，所以选择l=5。则由公式τ=lT得：T??/l?0.02。 2.负反馈调节器D(z)的确定

D(z)为负反馈调节器，通常使用PID控制规律。扩充响应曲线法是用于有纯滞后的一阶对象，因此依据课本中表3.4扩充响应曲线法选择数字PID参数计算公式，而且前面已确定采样周期T与纯滞后时间常数τ的比值l=5，因此选定的PID参数为：

kp/(T0/?)?0.73 ，Ti/??3.6，为PI控制规律。

其中T0为被控对象时间常数，即T0=1，τ=0.1，T0/?所以有：

kp=7.3 Ti=0.36

=10

则控制器传递函数：D(s)?kp(1?17.3s?20.3 )?Ti?ss将得到的模拟控制器用一阶后向差分法离散化得到：

D(z)?D(s)|s??kp(1?1?z?1TT7.706z?7.3 )??1Ti?(1?z)z?13.Smith补偿器Dτ(z)的确定

Gp(s)e??s?Gh(s)G0(s)e??s10(1?e?0.02s)??s?es(1?s)10(1?e?0.02s)Gp(s)?s(1?s)D?(s)?Gp(s)(1?e?0.1s)?10(1?e)(1?e?0.1s)s(1?s)?0.02s

10(1?e?0.02)(1?z?5)z?10.2z5?1D?(z)?Z[D?(s)]??6?0.02?11?ezz?0.98z5令a?e?0.02?0.98；b?10(1?e?0.02)?0.198

bz?1(1?z?5)则D?? ?11?az

差分方程为：

C(k)?C1(k)?C1(k?l)?C1(k)?C1(k?5)

C1(k)?a?C1(k?1)?b?U(k?1)?0.98C1(k?1)?0.198?U(k?1)

由此可得到：

C(k)?0.98C1(k?1)?0.198?U(k?1)?C1(k?5)

可以看出，Smith补偿器的差分方程有C1(k?5)项，即存在滞后5拍的信号，因此产生纯滞后信号对纯滞后补偿控制是至关重要的。纯滞后信号可以用存储单元法近似产生。

第6章 Smith预估补偿控制的Matlab仿真与实验

6.1 Matlab仿真软件的介绍

Matlab是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件，集数值分析、矩阵运算和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。它几乎可以轻易地再现C或FORTRAN语言的全部功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。Matlab环境下的Simulink是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包，在它提供的图形用户界面上，只要进行鼠标的简单拖拽操作就可构造出复杂的仿真模型，是目前最优秀、最容易使用的一个仿真环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛的应用。

6.2采用Matlab系统仿真

本系统采用PI控制算法，用matlab下的Simulink工具箱搭建闭环系统结构，加以1v的阶跃信号，PI控制器系数kp?7.3，Ti?0.36=0.36，取反馈系数为1，使用Smith预估补偿器的仿真结构和输出曲线分别如图所示：

图6.1 结构仿真图

第7章 锅炉夹套水温pid控制系统

7.1 课程设计目的

在系统的学习了《自动控制原理》，《过程检测技术及仪表》等课程后，为了更好的提高我们对所学知道的认识加深对理论知识的理解。借助THJ-4工程实验平台，通过对下水箱前馈反馈控制系统的设计，调试完成系统设计的设计与开发提高学生工程意识和能力提高创新能力。

1．了解单回路温度控制系统的组成与工作原理。

2．了解PID参数自整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。 3．研究调节器相关参数的改变对温度控制系统动态性能的影响。 4．分析比较锅炉夹套水温控制与锅炉内胆动态水温控制的控制效果。

7.2 被控对象

由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。

1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52cm×43cm，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。

2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下

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