基于MATLAB水箱液位控制系统的设计

《基于MATLAB水箱液位控制系统的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB水箱液位控制系统的设计（32页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、基于MATLAB水箱液位控制系统的设计 太原理工大学 过程控制系统课程设计 设计名称水箱液位系统的控制设计专业班级 自动化0902 学 号 姓 名 指导教师 专业班级 自动化0902 学号 姓名 成绩 目 录摘 要III任 务 书 IV第1章 绪论411过程控制的定义412过程控制的目的413过程控制的特点514过程控制的发展与趋势5第2章 水箱液位控制系统的原理621 人工控制与自动控制6 22 水箱液位控制系统的原理框图 723 水箱液位控制系统的数学模型8第3章 水箱液位控制系统的组成1131 被控制变量的选择1132 执行器的选择113 3 PID控制器的选择1434 液位变送器的选择

2、15第4章 PID控制规律1741 比例控制1742积分控制I1943微分控制D1944比例积分控制PI 2045比例积分微分控制PID20第5章 利用MATLAB进行仿真设计 2051MATLAB设计2052 MATLAB设计任务2153 MATLAB设计要求2154 MATLAB设计任务分析2155 MATLAB设计内容25com的设计25com的设计25com副回路的匹配26com 单回路PID控制的设计27 com制系统的设计32 com制系统的PID参数整定 34总结36参考文献36摘 要 在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题例如居民生活用水的供应饮料食品加

3、工溶液过滤化工生产等多种行业的生产加工过程通常需要使用蓄液池蓄液池中的液位需要维持合适的高度既不能太满溢出造成浪费也不能过少而无法满足需求因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数特别是在动态的状态下采用适合的方法对液位进行检测控制能收到很好的效果PID控制比例积分和微分控制是目前采用最多的控制方法本文主要是对一水箱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算法传感器和调节阀等一系列的知识作为单容水箱液位的控制系统其模型为一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

4、课程设计任务书班 级自动化0902学生姓名朱智慧指导教师设计论文题目水箱液位控制系统设计主要研究内容设计供水水箱的液位控制系统要求在采用仪表控制的情况下设计一个单回路控制系统系统使用PID调节器 各环节选用适当的仪表和器件设计控制系统的控制方式确定控制器参数并可以通过实验加以验证分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点系统在上下水流量发生变化时能快速恢复到设定值主要技术指标或研究目标本过程控制系统检测信号控制信号及被控信号均采用ICE标准即电压1-5V电流4-20mA供电要求三相380V交流电24V直流电通过本课题的设计培养学生对自动控制系统的综合运用对自动化仪表的选型参数设计和

5、调试的能力检验所学习专业知识的综合利用能力为今后工作打好基础基本要求1设计水箱液位控制的系统方案2各环节仪表的选型3设计控制系统的控制方式和PID参数4分析不同控制规律和不同参数下系统的特点主要参考资料及文献1 过程控制系统和应用 李国勇主编 机械工业出版社2 过程控制与自动化仪表 侯志林主编 机械工业出版社3 自动化仪表与过程控制 施仁主编 电子工业出版社第1章 绪论11过程控制的定义生产过程自动化一般是指石油化工冶金炼焦造纸建材陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某

6、些物理参数进行的自动控制通称为过程控制过程控制是自动控制学科的一个重要分支是对过程控制系统进行分析与综合12过程控制的目的生产过程中对各个工艺过程的物理量或称工艺变量有着一定的控制要求有些工艺变量直接表征生产过程对产品的数量与质量起着决定性的作用例如精馏塔的塔顶或塔釜温度一般在操作的压力不变的情况下必须保持一定才能得到合格的产品加热炉出口温度的波动不能超出允许范围否则将影响后一段的效果化学反应器的反应温度必须保持平稳才能使效率达到指标有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和数量然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提例如用蒸汽加热反应器或在沸器如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下要把反应温度或塔釜温度

7、控制好将极为困难中间储槽的液位高度与气柜压力必须维持在允许的范围之内才能使物料平衡保持连续的均衡生产有些工艺变量是决定安全生产的因素例如锅炉汽包的水位受压容器的压力等不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量例如某些混合气体环境的污染因此减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标范围综上所述过程控制的主要目标包括一下几个方面保障生产过程的安全和平稳达到预期的产量和质量尽可能地减少原材料和能源损耗把生产对环境的危害降低到最小程度由此可见生产过程自动化是保持生产稳定降低消耗降低成本改善劳动条件促进文明生产保证生产安去和提高劳动生产率的重要手段使20世纪科学与进步的

8、特征市工业现代化的标志之一13过程控制的特点生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化显然过程参数的变化不但受外界条件的影响它们之间往往也相互影响这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度过程控制有如下特点被控对象的多样性对象存在滞后对象特性的非线性控制系统比较复杂由于对象的特性不同其输入与输出可能不止一个控制系统的设计在于适应这些不同的特点以确定控制方案和控制其的设计或选型以及控制器特性参数的计算与设定这些都要以对象的特性为依据而对象的特性复杂且难以认识所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能目前已设计出的各种各样的控制系统如简单的位式控制系统单回路

9、及多回路控制系统以及前馈控制计算机控制系统等都是通过必要的理论计算采用现场的方法达到过程控制的目的14过程控制的发展与趋势20世纪40年代开始形成的控制理论被成为20世纪上半叶三大伟绩之一在人类社会的各个反面有着深远的影响与其他任何学科一样控制理论源于社会实践和科学实践自动化技术的前驱可以追溯到我国古代如指南车的出现 至于工业上的应用一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论成为第一代控制理论第一代控制理论分析的主要问题是稳定性主要的数学方法是微分方程解析方法这时候的系统包括过程控制系统是简单控制系统仪表是基地式大尺寸的满足当时的需要到第二次时间大战前后控制

10、理论有了很大发展Nyquist 1932 和Bode1945频率法分析技术及稳定判据Evens根轨迹分析方法的建立使经典控制理论发展到了成熟的阶段这是第二代控制理论从20世纪50年代开始随着工业的发展控制需求的提高除了简单控制系统以外各种复杂控制系统也发展起来了而且取得了显著的功效20世纪60年代现代控制理论迅猛发展它以状态空间方法为基础以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统LOG设计宣告了时域方法的完成这是第三代控制理论从20世纪70年代开始为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题现代控制理论和优化与控制相结合逐步发发展成了大系统理论

11、过程控制是随着控制理论的发展而发展的从系统机构来看过程控制已经经历了四个阶段基地式控制阶段初级阶段单元组合仪表自动化阶段计算机控制的初级阶段综合自动化阶段 水箱液位控制系统的原理21 人工控制与自动控制下图为水箱液位控制系统示意图在人工控制示意图中为保持水箱液位恒定操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量手工控制的过程主要分为三步用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值并通过神经系统传到大脑大脑根据眼睛看到的水位高度与设定值进行比较得出偏差大小和方向然后根据操作经验发出控制命令根据大脑发出的命令用双手去改变给水阀或进水阀的开度使水箱液位包持在工艺要求的高度上在整个手工控制过程中操作人员的眼脑手三

12、个器官分别担负了检测判断和运算执行三个作用来完成测量求偏差在施加控制操作以纠正偏差的工作过程保持水箱液位的恒定如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制就成为过程控制系统在自动控制示意图中当系统受到扰动作用后被控变量液位发生变化通过检测变送仪表得到其测量值控制器接受液位测量变送器送来的信号与设定值相比较得出偏差按某种运算规律进行运算并输出控制信号控制阀接受控制器的控制信号按其大小改变阀门的开度调整给水量以克服扰动的影响使被控变量回到设定值最终达到水箱液位的恒定这样就完成了所要求的控制任务这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统 22 水箱液位控制系统的原理框图本

13、论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象一个检测变送单元检测元件及变送器以个控制器和一个执行器控制阀所组成的单闭环负反馈控制系统也称为单回路控制系统简单控制系统有着共同的特征它们均有四个基本环节组成即被控对象测量变送装置控制器和执行器对于不同对象的简单控制系统尽管其具体装置与变量不相同但都可以用相同的方框图表示由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下23 水箱液位控制系统的数学模型该系统主要是自衡的非振荡过程即在外部阶跃输入信号作用下过程原有的平衡状态被破坏并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态这一大类是在工业

14、生产过程中最常见的过程1 确定过程的输入变量和输出变量如下图所示流入水箱的流量是由进料阀1来控制的流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度而出料阀的开库是随用户的需要而改变的这里液位L是被控变量即输出变量进料阀1为控制系统中的控制阀它所控制的进料流量是过程的控制输入即操纵量出料流量是外部扰动本设计以进料流量作为输入变量2根据过程内在机理列写原始方程根据物料平衡关系当过程处于原有稳定状态是水箱液位保持不变其静态方程为- 016分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量当进料流量突然增大是水箱原来的平衡状态被破坏此时进料量大于出料量多余的液体在水箱内储存起来使其液位升高设水箱液体的储存量为V

15、则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量其动态方程为- 17 分别为和的增量设水箱截面积为A则有V AL其增量形式为dV AdL即18将 和式18代入式17得 19 将式19减去式16可得用新增量形式表示的动态方程式为 1103消去中间变量简化求的微分方程式中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量式110中为中间变量与输出变量L的关系可表示为 比例系数 111当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系将式111改写成增量形式 令则有 112将式112代入式110中即得 113式113即为水箱液位过程的数学模

16、型由此可见这是一个一阶微风方程液位过程为一阶过程将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式 114或 115为一阶过程的时间常数具有时间量纲为一阶过程的放大系数具有放大倍数的量纲为一阶过程的输出变量为一阶过程的输入变量为阻力系数 液位的变化量 出料流量的变化量为容量系数 储存的物料变化量 液位的变化量当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时就会出现滞后在控制过程中若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后液体需要经过一段传输时间才能流入水箱使液位发生变化并被检测出来显然液体流经这段距离所需时间完全是传输滞后造成的纯滞后一阶过程的微风方程为具有纯

17、滞后的一阶过程的特性与放大系数时间常数和纯滞后时间有关综上所述水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程其特性可用放大系数时间常数和纯滞后时间这三个特性参数来全面表征 水箱液位控制系统的组成本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统是使用的族普遍的结构最简单的一种过程控制系统所谓的简单控制系统通常是指一个被控对象一个检测变送单元检测元件及变送器一个控制器和一个执行器控制阀所组成的单闭环负反馈控制系统31 被控制变量的选择被控变量的选择是控制系统的核心问题被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键对于任何一个控制系统总是希望其能够在稳定生产操作增加产品产量保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用

18、如果被控变量学则不当配备再好的自动化仪表使用在复杂先进的控制规律也无用的都不能达到预期的控制效果对于水箱液位控制系统其被控变量是显而易见的液位就是其被控变量是直接参数控制32 执行器的选择执行器在控制系统中起着极其重要的作用控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系执行器接受控制其输出的控制信号实现对操纵变量的改变从而使被控变量向设定值靠拢执行器位于控制回路的最总端因此又称为最终元件本设计所使用的执行器为控制阀也称调节阀控制阀发装现场通常在高温高压高粘度强腐蚀易渗透易结晶易燃易爆剧毒等场合下工作如果选择不当或维修不妥就会使整个系统无法正常运作经验表明控制系统不能正常运行的

19、原因多数发生在控制阀上对于系统控制阀的选择很重要控制阀接受控制器输出的控制信号通过改变阀的开度来达到控制流量的目的控制阀有执行机构和调节机构两部分组成执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置调节机构是根据执行机构的输出信号去改变能量或物料输送量的装置控制阀按其能源形式可分为气动电动液动三大类液动控制阀推力最大但比较笨重目前已经极少使用电动控制阀的能源取用方便信号传递迅速但结构复杂防爆性能差气动控制阀采用压缩空气作为能源其特点是简单动作可靠平稳输出推力较大维修方便防火防爆而且价格较低因此得到广泛应用气动控制阀可以方便的与电动仪表配套使用即使是采用电动仪表或计算机控制时只要经过电气转换

20、阀门定位器将电信号转换为20100kPa的标准气压信号仍可采用气动控制阀调节阀基型产品即普通产品按基型结构特征分为几大类产品它们是直通单座阀直通双座阀套筒阀角形阀三通阀隔膜阀蝶阀球阀偏心旋转阀其中前6种为直行程调节阀后3种为角行程调节阀必须首先弄清楚基型产品的特点使用注意事项各类变型产品改进产品与单座阀相反具有泄漏大许用压差大的特点适用于泄漏要求不严工作压差大的干净介质场合是应用最为广泛的阀之一3套筒阀套筒阀具有单密封双密封两种结构前者相当于单座阀后者相当于双座阀适用于双座阀场合除此之外套筒阀还具有稳定性好装卸方便的特点但价格比单双座阀贵50200还需要专门的缠绕密封垫是仅次于单双座阀应用较为

21、广泛的阀4角形阀节流型式相当于单座阀但阀体流路简单适用于泄漏要求小压差不大的不干净介质场合以及要求直角配管的场合5三通阀具有3个通道可代替两个直通单座阀用于分流和合流及两相流温度差成150的场合当DN 80mm仪表工程应用的设计工作6隔膜阀隔膜阀流路简单隔膜具有一定的耐蚀性能适用于不干净介质和弱腐蚀性介质的两位切断场合7蝶阀相当于取一段直管来做阀体且阀体又相当于阀座自洁性能好体积小重量轻适用于不干净介质和大口径大流量低压差的场合当DN 300mm时通常采用蝶阀8球阀O形球阀全开时为无阻调节自洁性能最佳适用于特别不干净含纤维介质的两位切断场合V形球阀具有近似等百分比的调节特性适用于不干净含纤维介

22、质可调比较大的调节场合球阀价格较贵9偏心旋转阀该阀介于蝶阀和球阀之间自洁性能好调节性能好亦可切断适用于不干净介质和泄漏要求小的调节场合但该阀价格较贵浮球式液位变送器浮球式液位变送器由磁性浮球测量导管信号单元电子单元接线盒及安装件组成一般磁性浮球的比重小于05可漂于液面之上并沿测量导管上下移动导管内装有测量元件它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号并将电子单元转换成420mA或其它标准信号输出该变送器为模块电路具有耐酸防潮防震防腐蚀等优点电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路可使输出最大电流不超过28mA因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏浮简式液位变送器浮筒式液位变

23、送器是将磁性浮球改为浮筒它是根据阿基米德浮力原理设计的浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位界位或密度的它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作静压或液位变送器该变送器利用液体静压力的测量原理工作它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号再经放大电路放大和补偿电路补偿最后以420mA或010mA电流方式输出电容式物位变送器电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成它以两线制420mA恒定电流输出为基型经过转换可以

24、用三线或四线方式输出输出信号形成为15V05V010mA等标准信号电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成当料位上升时因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数所以电容量随着物料高度的变化而变化变送器的模块电路由基准源脉宽调制转换恒流放大反馈和限流等单元组成采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低对周围元射频干扰稳定性好线性好无明显温度漂移等超声波变送器超声波变送器分为一般超声波变送器无表头和一体化超声波变送器两类一体化超声波变送器较为常用一体化超声波变更新器由表头如LCD显示器和探头两部分组成这种直接输出420mA信号的变送器是将小型化的敏感元件探头和电子电路组装在一起从而使

25、体积更小重量更轻价格更便宜超声波变送器可用于液位物位的测量和开渠明渠等流量测量并可用于测量距离 比例增益某值在一定范围内可调在相同偏差输入下越大输出也越大比例控制作用越强因此是衡量比例作用弱的一个重要参数 比例控制器传递函数在阶跃偏差作用下比例控制器响应曲线比例控制是最基本的控制规律其特点是控制作用简单调整方便且负荷变化时克服扰动能力强控制作用及时过渡过程时间短但因控制器的输出信号与偏差信号之间在任何时刻都存在之比例关系所以过程终了时存在偏差且负荷变化越大余差也越大比例控制对系统控制质量的影响比例控制的控制作用效果如何关键问题在于选择合适的比例度比例度时指控制器输入的变化相对值与输出的相对变化

26、值之比的百分数即 控制器的输入信号的变化量即偏差信号控制器的输出信号的变化量即控制命令控制器的输入信号的变化范围即量程控制器输出信号的变化范围将比例控制器切入系统闭环运行时其比例度对系统过渡过程的影响如图余差在扰动如负荷及设定值变化时控制系统有余差存在在相同的负荷变化量的扰动下比例度越小余差越小在比例度相同的情况下负荷变化量越大则余差越大对系统稳定性的影响有图可看出比例度越大过渡过程的曲线越平稳随着比例度的减少系统将发散振荡程度增加衰减比减少稳定性变差当减少到某一数值时系统将发散振荡十分危险有时甚至造成重大事故对系统过渡过程的影响由图可见随比例度的减少振荡加剧振荡频率提高将被控量拉回到设定值所

27、需时间就短一般而言在广义对象的放大系数较小时间常数较大时滞较小的情况下比例度选的小些以提高系统灵敏度反之当广义对象的放大系数较大时间常数较小而时滞较大的情况下必须适当增大比例度以增加系统的稳定性对最大偏差的影响最大偏差在两类外作用下不一样在扰动作用下越小最大偏差越小在设定作用下是系统处于衰减振荡时越小最大偏差越大有上述可知只有当比例度的取值适当是才可能取得系统呈衰减振荡最大偏差和余差都不太大过程稳定快回复时间短的控制效果在工业生产中近长期实践经验液位控制系统大致取值范围为2080在控制器的控制规律中比例作用是最基本最主要也是应用最普遍的控制规律它能较为迅速地克服扰动的影响使系统很快的确定下来通

28、常使用干扰幅度较小负荷变化不大过程时滞较小控制要求不高允许有余差存在的场合在液位控制系统中往往只要求液位稳定在一定范围内并没有严格要求即可采用比例控制42积分控制I积分控制规律是指输出变化量与输入变化量积分成正比即 积分速度积分控制特点积分控制主要用于消除余差但作用缓慢总滞后与偏差的存在不能及时有效的克服扰动的影响致使被控变量的动态偏差增大控制过程拖长甚至使系统难以稳定因此积分控制规律在工业生产上很少单独使用都是与比例作用组合来使用的43微分控制D微分控制规律是指其输出信号的变化量与偏差信号的变化速度成正比即 微分时间微分控制规律特点微分控制作用是按偏差的变化速度进行控制的因此它具有超前控制作

29、用其控制的结果不能消除偏差所以控制规律不能单独使用它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制规律而从实际使用情况来看比例微分控制规律使用的较少在生产上微分往往与比例积分结合在一起使用组成PID控制44比例积分控制PI比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加其数学表达式为 比例项 是积分项 积分时间 比例积分控制是在比例控制作用的基础上引入积分作用来消除余差故比例积分控制是使用最多应用最广的控制规律在反馈控制系统中约有75是采用PI作用的但是加入积分作用后会使系统稳定性降低要保持系统原有的稳定性必须加大比例度即削弱比例作用这又会使2质量有所下降如最大偏差和振荡周期相应增大过渡时间加

30、长对于控制通道滞后较小负荷变化不太大工艺参数不允许有余差的场合如流量或压力控制采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量45比例积分微分控制PID理想比例积分微分控制规律PID的表达式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 第5章 利用MATLAB进行仿真设计 51MATLAB设计双容水箱液位

31、串级控制系统设计52 MATLAB设计任务图1所示双容水箱液位系统由水泵12分别通过支路12向上水箱注水在支路一中设置调节阀为保持下水箱液位恒定支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定com 双容水箱液位控制系统示意图53 MATLAB设计要求1已知上下水箱的传递函数分别为要求画出双容水箱液位系统方框图并分别对系统在有无干扰作用下的动态过程进行仿真假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0方差为001的白噪声2 针对双容水箱液位系统设计单回路控制要求画出控制系统方框图并分别对控制系统在有无干扰作用下的动态过程进行仿真其中PID参数的整定要求写

32、出整定的依据选择何种整定方法PID各参数整定的依据如何对仿真结果进行评述3 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案要求画出控制系统方框图及实施方案图对控制系统的动态过程进行仿真并对仿真结果进行评述54 MATLAB设计任务分析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建模法串级控制双容液位过comcom 串级控制的双容液位过程两容器的流

33、出阀均为手动阀门流量只与容器1的液位有关与容器2的液位无关容器2的液位也不会影响容器1的液位两容器无相互影响由于两容器的流出阀均为手动阀门故有非线性方程 4-1 4-2 过程的原始数据模型为 4-3 令容器1容器2相应的线性水阻分别为和 4-4 4-5 其中为容器1的初始液位为容器2的初始液位则有过程传递函数 4-6 4-7 而由式2-41可以退出 4-8 因此有 4-9 令时间常数和最终可得该过程的传递函数为 4-10 可见虽然容器1的液位会影响容器2的液位但容器2的液位不会影响容器1二者不存在相互影响过程的传递函数相当于两个容器分别独立时的传递函数相乘但过程增益为两个独立传递函数相乘的1R

34、1倍令Qi ku对液位h则控制系统过程传递函数为 4-11 由上述分析可知该过程传递函数为二阶惯性环节相当于两个具有稳定趋势的一阶自平衡系统的串联因此也是一个具有自平衡能力的过程其中时间常数的大小决定了系统反应的快慢时间常数越小系统对输入的反应越快反之若时间常数较大即容器面积较大则反应较慢由于该过程为两个一阶环节的串联过程等效时间常数故总体反应要较单一的一阶环节慢的多因此通常可用一阶惯性环节加纯滞后来近似无相互影响的多容系统在该液位控制系统中建模参数如下控制量水流量Q被控量下水箱液位控制对象特性上水箱传递函数 下水箱传递函数控制器PID执行器控制阀干扰信号在系统单位阶跃给定下运行10s后施加均

35、值为0方差为001的白噪声为保持下水箱液位的稳定设计中采用闭环系统将下水箱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上水箱有干扰时此干扰经过控制通路传递到下水箱会有很大的延迟进而使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上

36、水箱液位将液位信号送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设计中首先进行单回路闭环系统的建模系统框图如下com 单回路闭环系统控制系统框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PID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然后加入副回路副控制器再有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com 串级控制系统框图系统实施方案图如下com 串级控制系统系统实施方案图55 MATLAB设计内容com的设计 串级控制系统的主回路是定值控制其设计单回路控制系统的设计类似设计过程可以按照简单控

37、制系统设计原则进行这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题主要包括如何选取副被控参数确定主副回路的原则等问题 com的设计 由于副回路是随动系统 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力二次扰动通过主副回路的调节对主被控量的影响很小因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈频繁幅度大的主要扰动包括在副回路中此外要尽可能包含较多的扰动 归纳如下 1 在设计中要将主要扰动包括在副回路中 2 将更多的扰动包括在副回路中 3 副被控过程的滞后不能太大以保持副回路的快速相应特性 4 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中 5 在需要以流量实现精确跟踪时可选流量为

38、副被控量 在这里要注意 2 和 3 存在明显的矛盾将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥因此在实际系统的设计中要兼顾 2 和 3 的综合com副回路的匹配 1 主副回路中包含的扰动数量时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动同时也要注意主副回路扰动数量的匹配问题副回路中如果包括的扰动越多其通道就越长时间常数就越大副回路控制作用就不明显了其快速控制的效果就会降低如果所有的扰动都包括在副回路中主调节器也就失去了控制作用原则上在设计中要保证主副回路扰动数量时间常数之比值在310之间比值过高即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得

39、太多副回路反应灵敏控制作用快但副回路中包含的扰动数量过少对于改善系统的控制性能不利比值过低副回路的时间常数接近主回路的时间常数甚至大于主回路的时间常数副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益但是副回路的控制作用缺乏快速性不能及时有效地克服扰动对被控量的影响严重时会出现主副回路共振现象系统不能正常工作 2 主副调节器的控制规律的匹配选择 在串级控制系统中主副调节器的作用是不同的主调节器是定值控制副调节器是随动控制系统对二个回路的要求有所不同主回路一般要求无差主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律副回路要求起控制的快速性可以有余差一般情况选取P控制规律而不引入I或 D 控制如果引入 I 控制会

40、延长控制过程减弱副回路的快速控制作用也没有必要引入 D控制因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用引入D控制会使调节阀的动作过大不利于整个系统的控制 3 主副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈串级控制系统有两个回路主副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式然后再确定主调节器的作用方式com 单回路PID控制的设计MATLAB仿真框图如下无干扰com 无干扰单回路MATLAB仿真框图先对控制对象进行PID参数整定这里采用衰减曲线法衰减比为101将积分时间Ti调为最大值即MATL

41、AB中I参数为0微分时间常数TD调为零比例带为较大值即MATLAB中K为较小值待系统稳定后做阶跃响应系统衰减比为101时阶跃响应如下图参数K1 98Ti 无穷大TD 0com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图经观测此时衰减比近似101周期Ts 14sK 98C根据衰减曲线法整定计算公式得到PID参数 K1 9854 1225取12Ti 12Ts 168s注MATLAB中I 1Ti 006TD 04Ts 56s使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下参数K1 12Ti 168TD 56com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图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

42、的改善现用控制变量法分别改变PID参数观察系统性能的变化研究各调节器的作用保持ID参数为定值改变P参数阶跃响应曲线如下参数K1 16Ti 168TD 56com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图参数K1 20Ti 168TD 56com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图比较不同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保持PD参数为定值改变I参数阶跃响应曲线如下参数K1 12Ti 10TD 56com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图参数K1 12Ti 1TD 56com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图比较不同I参

43、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保持PI参数为定值改变D参数阶跃响应曲线如下参数K1 12Ti 168TD 86com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图参数K1 12Ti 168TD 116com 单回路MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知而且随着D参数的增大最大动态偏差减小衰减率增大振荡频率增大现向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com 有干扰单回路MATLAB仿真框图阶跃响应曲线如下参数K1 12Ti 168TD 56 com扰单回路MATLAB仿真阶跃响

44、应曲线波形图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com制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下有噪声com 有噪声串级控制系统的MATLAB仿真框图当无噪声时系统的阶跃响应如下图所示参数K1 12Ti 168TD 56K2 03 com声串级控制MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图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条件下的系统阶跃响应曲线参数K1 12Ti 168TD 5

45、6K2 05 com声串级控制MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图参数K1 12Ti 168TD 56K2 10 com声串级控制MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图参数K1 12Ti 168TD 56K2 15 com声串级控制MATLAB仿真阶跃响应曲线波形图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当增益相同时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com制系统的PID参数整定自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起随着各种技术和理论的发展PID参数整定的方法越来越多1 传统整定方法 1 Ziegler-Ni

46、chols经验公式 Z-N公式法 该方法先求取系统的开环阶跃响应曲线根据对象的纯迟延时间时间常数和放大系数按Ziegler-Nichols经验公式计算PID参数此方法简单易行但参数需要进一步调整一般用于手工计算和设置控制器初值 2 稳定边界法 临界比例度法 该方法需要做稳定边界实验在闭环系统中控制器只用比例作用给定值作阶跃扰动从较大的比例带开始逐渐减小直至被控量出现临界振荡为止记下临界振荡周期和临界比例带然后按照经验公式确定PID参数由于不易使系统发生稳定的临界振荡或不允许系统离线进行参数整定临界参数的获取通常用Astrom和Hagglund提出的继电反馈法它既能保证实现稳定闭环振荡又不需离线

47、进行是获得过程临界信息的最简便方法之一对一阶惯性加纯迟延的对象时间常数T较大时整定费时对干扰多且频繁的系统要求振荡幅值足够大 3 衰减曲线法该方法与临界比例度法类似在闭环系统中控制器只用比例作用给定值作阶跃扰动从较大的比例带开始逐渐减小直至被控量出现41的衰减过程为止记下此时比例带以及相邻波峰之间的时间然后按照经验公式确定PID参数 4 积分项改进的数字PID控制在一般的PID控制中当存在较大的扰动和大幅度给定值变化时此时有较大的偏差由于系统的惯性和滞后如果施加积分控制往往会导致超大的超调和长时间的调节时间特别是对于温度成分等变化缓慢的过程控制这一现象更为严重实际中常采取积分分离措施即当偏差较

48、大时不施加积分控制当偏差较小时才施加积分控制即a当时采用PD控制b当时采用PID控制其中为积分分离值它可根据具体对象及系统设计要求来确定实际中的值要选的合适若值过大则达不到积分分离的目的若值过小一旦被控量无法跳出积分分离区只进行PD控制将会出现残差积分分离时取常见的积分项改进的数字PID控制算法还有抗积分饱和算法梯形积分算法和消除积分不灵敏区的算法总结 通过这次设计使我明白到有些东西看上去非常简单当自己置身其中去做时并不容易了在毕业设计的这段时间里我也发现了自己所应该改进或是较为缺乏的部分其一是分析问题的能力可能是自己学习的不够扎实实习中碰到了不少钉子遇到问题时头脑很茫然二是解决问题的成熟度这

49、也许是个性使然再加上缺少经验的累积和历练所以在处理设计中的问题时容易慌慌张张这次设计也让我再次体会到书本上学习到的专业知识和实际应用起来是两个完全不同的概念所以在现阶段的学习中我们主要是应该去学习专业理论知识学习掌握分析问题和解决问题的能力在以后的工作中把理论和实际相结合努力实现大学所学习的理论知识所以说这次毕业设计也是对以前所学知识的一个初审吧对于我以后学习找工作也真是受益菲浅我感性回到理性的重新认识进一步对社会的认知对于以后工作所应把握的方向也有所启发李駪自动化仪表与过程控制施仁太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告- 16 - I -装订线装订线装订线装订线人工控制自动控制被控变量扰动偏差操纵变量控制器 执行器 被控对象 测量变送器扰动通道扰动液位变送器PID控制器电动控制阀阀阀器液位_水箱2L1tL L t L 0 水箱液位过程及其阶跃响应曲线tOe t AtOe t Ay t 减小Y 0 扰动作用tt Y 0 y t 减小新的设定值设定作用不同比例度下的过渡过程