基于PLC的锅炉温度史密斯预估控制仿真(2)
5.3 S7-200 CPU的选择 15
5.4 模拟量输入/输出 15
5.5 I/O地址分配 16
5.6 编程软件STEP7--MICRO/WIN 概述 16
5.6.1 编程软件STEP7--MICRO/WIN 简介 16
5.6.2 计算机与PLC的通信 17
5.6.3 PLC PID功能块介绍 17
5.7 史密斯预估控制器在PLC中实现 19
5.7.1 的理论实现 19
5.7.2 的编程实现 20
5.7.3 史密斯预估控制器 的实现 20
6 MATLAB编程及仿真 23
6.1 MATLAB介绍 23
6.2 MATLAB仿真 24
7 总结与展望 28
致谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 引言
在工业生产过程中，经常由于物料或能量的传输带来时间延迟的问题，即被控对象具有不同程度的纯滞后，不能及时反映系统所受的扰动。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。迟延对象的控制一直是控制领域研究的焦点问题。此外，测量信号到达控制器，即使执行机构接受信号后立即动作，也需要经过一个滞后时间才能影响到被控制量实现控制。这种类型的过程必然会产生较大的超调和较长的调节时间，使过渡过程变坏，系统的稳定性降低。对于这种情况史密斯控制算法在锅炉温度控制中的应用，使得锅炉温度控制能够达到一个稳定的水平。温度控制是过程控制的一个重点。锅炉因其具有大时滞、非线性、难以建立精确数学模型等特点，采用常规PID控制难以达到很好的控制效果。
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。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。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 ，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。
对大惯量带有时滞的系统，史密斯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。它通过在回路中加入史密斯预估器，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。史密斯预估控制已经成为克服纯滞后的主要方法之一。
在工业控制中, PID 调节是一种广泛应用的控制方法, 通过选取适当PID参数可以使系统获得满意的动态品质。但在生产过程中, 多数被控对象具有较大的纯滞后时间, 对于大纯滞后系统, 采用常规PID控制就很难获得良好的控制质量, 这种情况通常采用在PID 调节基础上加史密斯补偿的控制方法。在计算机时代, 控制过程普遍采用数字控制器, 如PLC、回路调节器和工控机, 尤其是PLC 既能用在开关量的控制, 又能用于模拟量的控制, 特别是以其性能稳定可靠、编程简捷方便的特点得到大量采用。新型PLC 很多都有内置PID 软件, 使得程序编制非常简化, 如西门子S7-200 小型PLC,只需一条指令就能调用PID运算公式, 所以, 用PLC 对大滞后过程进行控制, 不仅硬件组态简单可靠, 而且程序编制也大为简化。