基于smith预估补偿的双容器液位控制系统.doc

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1、.ShanghaiMaritimeUniversity课程设计课程名称：计算机控制系统姓名：班级：Word资料.学号：专业:电气工程及其自动化目录1.双容过程************************************************31.1两容器液位控制模型1.2水箱模型分析2.PID控制************************************************43.smith预估补偿设计**************************************53.1史密斯补偿原理3.2史密斯预估器的计算机

2、实现4.控制系统设计及仿真*************************************75.内模控制设计********************************************86.方法比较************************************************97.小结***************************************************13Word资料.Word资料.前言本文主要是对双容器液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、sm

3、ith预估、内模控制等一系列的知识。作为双容水箱液位的控制系统，其模型为带纯滞后的二阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。Word资料.基于PID+smith预估和内模控制的两容器液位控制系统设计一、双容过程双容过程是过程控制中重要模型，它是由两只水箱串联工作组成。双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 ，在实际生产中 ，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内

4、的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。1.1两容器液位控制模型图1双容液位系统模型双容水槽是工业生产过程中的常见控制对象，它是由两个具有自平衡能力的单容水槽上下串联而成，通常要求对其下水槽液位进行定值控制，双容水槽中的下水槽液位即为这个系统中的被控量，通常选取上水槽的进水流量为操纵量。对其液位的控制通常采用模拟仪表、计算机、PLC等单回路控制。双容水槽一般表现出二阶特性。此模型在现实中也有着很广泛的应用。1.2水箱模型分析Word资料.系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，上水箱的流入量为Qi，流出

5、量为Q1，即下水箱的流入量，下水箱流出量为Q2。通过改变阀0的开度改变Qi的值，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。液位h2越高，下水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h2的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若Qi作为被控过程的输入量，h2为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h2与Qi之间的数学表达式。               两容器的流出阀均为手动阀门，流量Q1只与容器1的液位h1有关，与容器2的液位h2无关。容器2的液位也不会影响容器1的液位，两容器无相互影响。考虑到系统阀门到出水口之间有一段水管，这就

6、是该双容水箱系统的纯滞后所在，令Qi=ku，对液位h2则控制系统包含纯滞后环节的过程传递函数为：二、PID控制规律理想比例积分微分控制规律PID的表达式如下：虽然微分作用对于克服容量滞后有显著的效果，但对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上加上微分作用能提高系统的稳定性，再加入积分作用可以消除余差。所以适当调整、、三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。由于，PID控制规律集中了三种控制作用的优点，既能快速进行控制，有能消除偏差，还可以根据被控制变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能，所以在实际应用中得到广泛应用。三、smith预估补偿设计

7、工业生产过程中的大多数被控对象都具有较大的纯滞后性质。被控对象的这种纯滞后性质经常引起超调和持续的振荡。在20世纪50年代，国外就对工业生产过程中纯滞后现象进行了深入的研究，史密斯提出了一种纯滞后补偿模型，由于当时模拟仪表不能实现这种补偿，致使这种方法在工业实际中无法实现。随着计算机技术的飞速发展，现在人们可以利用计算机方便地实现纯滞后补偿。Word资料.3.1史密斯补偿原理图2为单回路纯滞后控制系统，在图2所示的单回路控制系统中，控制器的传递函数为D(s)，被控对象传递函数为Gp(s)e-ts，被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数为Gp(s)，被控对象

8、纯滞后部分的传递函数为e-ts。图2单回路纯滞后控制系统图2所示系统的闭环传递函