基于S7-300PLC 的水温Smith 预估控制的实现

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1、http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛基于S7-300PLC的水温Smith预估控制的实现12叶昊，王喜斌（1．北华航天工业学院电子工程系，河北廊坊，065000；2．北华航天工业学院电子工程系，河北廊坊，065000）摘要：应用计算机技术，建立了预估器的模型，实现了Smith预估器的软件模拟。通过Smith预估控制改善了温度控制的时滞，即时间延迟，提高了温度控制中在存在大时滞情况下的控制品质。−τs关键词：时滞；Smith预估器；超越函数e；软件模拟Th

2、eRealizationofWaterTemperatureSmithPredictorControlSystemBasedOnSIMATICS7-300PLC12YeHao，WangXi-bin(1.ElectronicsEngineeringDepartment，NorthChinaInstituteofAstronauticEngineering，Langfang065000，China;2.ElectronicsEngineeringDepartment，NorthChinaInstituteofAstronauticEn

3、gineering，Langfang065000，China)Abstract:Usingcomputertechnology,weestablishthemodelofSmithpredictorandrealizesoftwaresimulation.BySmithpredictcontrol,thesystemimprovetimelagoftemperaturecontrolandcontrolqualityfollowingtimedelay.−τsKeywords:Timelag、Smithpredictor、Tran

4、scendentalfunctione、Imitatewithsoftware中图分类号TP273+.5，文献标识码B1问题的提出加热炉的水温控制是一个纯滞后的控制对象。通常认为广义对象的时滞与时间常数之比τ>5.0，即可称为具有大时滞特性。时滞主要由仪器的惯性引起。因仪器均存在引起惯性T的因素，如机械式仪器中运动件的质量、电测仪器中的电感或电容、传热式仪器中的热容量等，故时滞是无法避免的。对于大时滞对象的控制，如果采用常规的PID算法，会出现超调量变大，控制系统稳定性变差的问题。本文通过软件来模拟Smith预估控制器，可以改善系

5、统在大时滞情况下的控制品质。2系统硬件的搭建加热炉的水温控制系统由上位机、下位机、MM440变频器、水泵、加热筒、可控硅移相触发器、加热管、加热圆筒热电阻组成。上位机采用WINCC5.0做监控，下位机为西门子S7-300PLC。加热炉加热时，通过改变可控硅触发器的控制电流（4～20mA），改变可控硅的输出电压（0～220V），从而控制加热管的温度。3Smith预估控制实现的原理在工业控制中，许多工业对象可近似用一阶惯性环节和纯滞后环节的串联来表示，其传递函数为：()()−τsK0−τsGps=G0se=e（1）T0s+1式中：K0

6、—被控对象的放大系数；T0—被控对象的时间常数；τ—纯滞后时间。−τs在下图1所示的单回路控制系统中，Gc(s)表示调节器的传递函数；G0()se表示τ−s被控对象的传递函数，其中G0()s为被控制对象中不包含纯滞后部分的传递函数，e为被控制对象纯滞后部分的传递函数。1http://www.elecfans.com电子发烧友http://bbs.elecfans.com电子技术论坛图1带纯滞后环节的控制系统Smith预估控制的原理是：与Gc(s)并接一补偿环节，用来补偿被控制对象中的纯滞后部分。这个补偿环节称为预估器，其传递函数为

7、()(−τs)G0s1−e，τ为纯滞后时间，补偿后的系统框图示于图2中。图2带Smith预估器的控制系统由Smith预估器和调节器Gc(s)组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，设其传递函数为Gc′()s，即：Gc(s)Gc′()s=（2）()()(−τs)1+GcsG0S1−e经补偿后系统的闭环传递函数为：Gc(s)G0(S)−τsΦ)s(=e（3）1+Gc()()sG0S由上式可以画出实现精确补偿时的预估补偿控制系统的等效方框图，如下图3：图3精确补偿时的等效方框图上式说明，经补偿后，补偿器接受的测量信号比实际检测到的被控变量提前了

8、时间τ，−τs从而消除了纯滞后部分对控制系统的影响；并且由于式中的e在闭环控制回路之外，故−τs而不会影响到系统的稳定性。拉氏变换的位移定理说明，e仅将控制作用在时间坐标上推移了一个时间τ，控制系统的过渡过程及其它性能指标都与对象特性为G0()s时