过程控制课程设计任务书自动化105班.docx
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过程控制课程设计任务书自动化105班
双容水箱液位流量串级控制系统设计
一、设计题目
双容水箱液位流量串级控制系统设计
2、设计任务
如图1所示的两个大容量水箱。
要求水箱2水位稳定在一定高度,水流量经常波动,作为扰动量存在。
试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。
图1系统示意图
三、设计任务分析
1、系统模型
在控制系统设计工作中,需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。
被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。
被控对象的数学模型(动态特性)是指过程在各输入量(包括控制量和扰动量)作用下,其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。
在液位串级控制系统中,我们所关心的是如何控制好水箱的液位。
上水箱和下水箱是系统的被控对象,必须通过测定和计算他们模型,来分析系统的稳态性能、动态特性,为其他的设计工作提供依据。
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种,机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握,并且可以比较确切的加以数学描述的情况;测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到,测试法建模一般较机理法建模简单,特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言,由于双容水箱的数学模型已知,故采用机理法建模。
在考虑干扰情况下,我们假设干扰信号是在系统单位阶跃给定下运行10s后,施加均值为0、方差为0.01的白噪声。
表格1液位控制系统模型参数
控制量
被控量
主被控对象(水箱2水位)传递函数
副被控对象(流量)传递函数
检测对象特性
控制器
执行器
水流量Q
下水箱液位H
W1=1/(100s+1)
W2=1/(10s+1)
液位传感器
流量传感器
PID
控制阀
Gm1(S)=1/(0.1S+1)
Gm2(S)=1/(0.1S+1)
为保持水箱2液位的稳定,设计中采用闭环系统,将水箱2液位信号经水位检测器送至控制器(PID),控制器将实际水位与设定值相比较,产生输出信号作用于执行器(控制阀),从而改变流量调节水位。
当对象是单水箱时,通过不断调整PID参数,单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果,系统也将有较好的抗干扰能力。
该设计对象属于双水箱系统,整个对象控制通道相对较长,如果采用单闭环控制系统,当水箱2有干扰时,此干扰经过控制通路传递到水箱2,会有很大的延迟,进而是控制器响应滞后,影响控制效果,在实际生产中,如果干扰频繁出现,无论如何调整PID参数,都将无法得到满意的效果。
考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现,及早控制,在内环引入负反馈,检测水箱1流量,将流量信号传至副控制器,然后直接作用于控制阀,以此得到较好的控制效果。
2、两种控制方案的设计:
●PID单回路控制系统设计方案
首先进行单回路闭环系统的建模,系统框图如下:
双容水箱单闭环实施方案图如下图
在无干扰情况下,整定主控制器的PID参数,整定好参数后,分别改变P、I、D参数,观察各参数的变化对系统性能的影响;然后加入干扰(白噪声),比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。
●串级控制系统设计方案
设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成,每一个回路又有自己的调节器和控制对象。
主回路中的调节器称主调节器,控制主对象。
副回路中的调节器称副调节器,控制副对象。
主调节器有自己独立的设定值R,他的输出m1作为副调节器的给定值,副调节器的输出m2控制执行器,以改变主参数c2.
通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统,将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值,实现无差调节,并且使系统具有良好的动态性能,较块的响应速度。
当有扰动f1(t)作用于副对象时,副调节器能在扰动影响主控参数之前动作,及时克服进入副回路的各种二次扰动,当扰动f2(t)作用于主对象时,由于副回路的存在也应使系统的响应加快,使主回路控制作用加强。
然后,加入副回路、副控制器,在有无干扰的情况下,比较单回路控制、串级控制系统性能的变化,串级控制系统框图如下:
双容水箱液位流量串级系统实施方案图如图
四、设计内容
1)单回路PID控制的设计
PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容,应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法分为两大类:
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。
由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特,理论计算的参数整定值可靠性不高,还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统试验中进行控制器参数整定,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。
三种方法都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
1.临界比例法。
在闭合控制系统中,把调节器的积分时间TI置于最大,微分时间TD置零,比例度δ置于较大数值,把系统投入闭环运行,将调节器的比例度δ由大到小逐渐减小,得到临界振荡过程,记录下此时的临界比例度δk和临界振荡周期Tk。
根据以下经验公式计算调节器参数:
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
2δk
PI
2.2δk
TK/1.2
PID
1.6δk
0.5Tk
0.25Tk
表4.1临界振荡整定计算公式
2.阻尼振荡法。
在闭合控制系统中,把调节器的积分时间TI置于最大,微分时间TD置零,比例度δ置于较大数值反复做给定值扰动实验,并逐渐减少比例度,直至记录曲线出现4:
1的衰减为止。
记录下此时的4:
1衰减比例度δk和衰减周期Tk。
根据以下经验公式计算调节器参数:
调节器参数
控制规律
δ
TI
TD
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
表4.2阻尼振荡整定计算公式
3.反应曲线法
若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后,则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。
在调节阀的输入端加一阶跃信号,记录测量变送器的输出响应曲线,并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。
先对控制对象进行PID参数整定,这里采用衰减曲线法,衰减比为10:
1.
✧下图是无噪声情况下对单回路PID控制系统基于MATLAB的建模与仿真图形:
A、将积分时间Ti调为最大值,即MATLAB中I参数为0,微分时间常数Td调为0,比例带δ为较大值,即MATLAB中K为较小值。
B、待系统稳定后,做阶跃响应,系统衰减比为10:
1时,阶跃响应如下图:
经观测,此时衰减比近似10:
1,周期Ts=34s,K=40
C、根据衰减曲线法整定计算公式,得到PID参数:
K1=40*5/4=50,取50;Ti=1.2Ts=68s(注:
MATLAB中I=1/Ti=0.01),Td=0.4Ts=27.2s
使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下:
观察以上曲线可以初步看出,经参数整定后,系统的性能有了很大的改善。
现用控制变量法,分别改变P、I、D参数,观察系统性能的变化,研究各调节器的作用。
A、保持I、D参数为定值,改变P参数,阶跃响应曲线如下:
比较不同P参数值下系统阶跃响应曲线可知,随着K的增大,最大动态偏差增大,余差减小,衰减率减小,振荡频率增大。
B、保持P、D参数为定值,改变I参数,阶跃响应曲线如下:
比较不同I参数值下系统阶跃响应曲线可知,有I调节则无余差,而且随着Ti的减小,最大动态偏差增大,衰减率减小,振荡频率增大。
C、保持P、I参数为定值,改变D参数,阶跃响应曲线如下:
比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知,随着D参数的增大,最大动态偏差减小,衰减率增大,震荡频率增大。
✧考虑控制系统中加入干扰,以检测系统的抗干扰能力,系统的仿真框图如下:
阶跃响应曲线如下:
观察以上曲线,并与无干扰时的系统框图比较可知,系统稳定性下降较大,在干扰作用时,很难稳定下来,出现了长时间的小幅震荡,由此可见,单回路控制系统,在有干扰的情况下,很难保持系统的稳定性能,考虑串级控制。
2)串级控制系统的设计
主控制器的选择:
主被控变量(液位)是工艺操作的主要指标,允许波动的范围很小,一般要求无余差,所以主控制器应选用PI控制规律
副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量,提高系统的反应速度,提高控制质量,可以允许在一定范围内变化,允许有一定的余差,因此副控制器可以采用P控制规律,因为主要为了提高响应速度
在工程实践中,串级控制系统常用的整定方法有以下三种:
1、逐步逼近法:
在主回路断开的情况下,按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数,把副调节器的参数设置在所求的数值上,然后使主回路闭合,仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。
尔后,将主调节器参数设置在所求得的数值上,再进行整定,求取第二次副调节器的整定参数值,然后再整定主调节器。
依此类推,逐步逼近,直至满足动态品质指标要求为止。
2、两步整定法:
两步整定法就是第一步整定副调节器参数,第二步整定主调节器参数。
整定的具体步骤为:
(1)在工况稳定,主回路闭合,主、副调节器都在纯比例作用条件下,主调节器的比例度置于100%,然后用单回路控制系统的衰减(如4:
1)曲线法来整定副回路。
记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。
(2)将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上,且把副回路作为主回路中的一个环节,用同样方法整定主回路,求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。
(3)根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值,按单回路系统衰减曲线法的整定公式,计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。
(4)按“先副后主”,“先比例后积分最后微分”的整定程序,设置主、副调节器的参数,再观察过渡过程曲线,必要时进行适当地调整,直到过程的动态品质达到满意为止。
3、一步整定法:
一步整定法,就是根据经验先确定副调节器的参数,然后将副回路作为主回路的一个环节,按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。
具体的整定步骤为:
(1)在工况稳定,系统为纯比例作用的情况下,根据K02/δ2=0.5这一关系式,通过副回路的放大系数K02,求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取,并将其设置在副调节器上。
(2)按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
(3)改变给定值,观察被控制量的响应曲线。
根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理,适当调整调节器的参数,使主参数的动态品质指标最佳。
(4)如果出现较大的振荡现象,只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI,即可得到改善。
对于该温度串级控制系统,在一定范围内,主、副控制器的增益可以相互匹配,根据下表,可以大致确定副控制器比例带和增益Kc2
表4.3串级控制系统示例来找出合适的控制系数
副控制器对象
温度
压力
流量
液位
比例带
20~60
30~70
40~80
20~80
增益Kc2
1.7~5.0
1.4~3.0
1.25~2.5
1.25~5.0
根据题目要求先选择Kc2=3.5然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器,本方案采用10:
1衰减曲线法整定,衰减曲线法是在闭环系统中,先把调节器设置为纯比例作用,然后把比例度由大逐渐减小,加阶跃扰动观察输出响应衰减过程,直道10:
1衰减过程为止,这是的比例度为10:
1衰减比例度用δs表示,相邻两波峰间的距离称为10:
1衰减周期TS,根据δs和TS,再由下表的经验公式,就可计算出调节器的预整定的参数值
衰减率
整定参数
调节
规律
δ
Ti
Td
0.75
P
δs
PI
1.2δs
0.5Ts
PID
1.8δs
0.3Ts
0.1Ts
0.9
P
δs
PI
1.2δs
2Ts
PID
1.8δs
1.2Ts
0.4Ts
系统的MATLAB仿真框图如下(有噪声):
当无噪声时,系统的阶跃响应如下图所示:
比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知,串级控制降低了最大偏差,减小了振荡频率,大大缩短了调节时间。
现向系统中加入噪声,观察不同P、I条件下的系统阶跃响应曲线:
P=15I=1.5
P=30I=2
观察以上曲线可知,当副回路控制器,调节时间都有所缩短,系统快速性增强了,在干扰作用下,系统稳定性更高,提高了系统的抗干扰能力,最大偏差更小。
可以取得令人满意的控制效果。
3)单回路控制和串级控制对流量扰动抑制作用的比较
根据单回路与串级控制的曲线相比,可以得出串级控制操作周期短,过渡时间小,控制品质更加良好,对流量带来的扰动抑制作用更加及时有效,系统稳定性更高,抗干扰能力更强,最大偏差更小
五、设计总结
通过这次课程设计,我们接触到了过程控制在实验系统中的应用,这让我对过程控制的实现方法,应用领域都有了较深的印象。
在设计过程中我们遇到了很多困难,我们知道了理论和实际的距离,也知道了理论和实际想结合的重要性,同时也增长了许多在课堂上没学到的知识,使我大开眼界。
自己今后将会更加的把理论知识和实际应用结合起来,提高自己的能力。
在本次课程实验中,我也学会了系统建模的一般步骤,掌握了分析简单系统特性的一般方法,并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。
基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法,对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识,通过实验验证的方式,很多内容印象非常深刻。
通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力,仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法,相信对以后的学习会有所帮助。
从设计内容来讲,或许学习的是仅仅过程控制,学习的仅仅是MATLAB的操作,但设计过程中,从设计思想,到研究方法,再到结论总结都培养了自己的学习研究能力,这也许更重要。
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