沈阳理工大学
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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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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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
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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
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