上水箱非线性液位前馈-反馈控制

00 / 30过程控制综合实践上水箱非线性液位前馈反馈控制小组成员：尹国梁 佐俊 张素 田风锐指导教师：徐宝昌 许亚岚 许锋 聂建英11 / 30目 录前言说明 2一、被控对象的系统分析 .21.1 被控对象的工艺流程解析 21.2 控制需求 31.3 对象特性分析 3二、上水箱非线性液位前馈-反馈控制系统设计的详细内容 .42.1 被控变量、操纵变量、扰动变量的选择 42.2 控制回路、控制算法、安全联锁与报警等功能设计 42.3 I/O 表 5三、控制系统设备选型与电气控制图绘制 53.1 控制系统设备选型 53.2 电气控制图绘制 Py=a(:,2);p=polyfit(x,y,2)y1=polyval(p,x);plot(x,y,o,x,y1);通过拟合：选取 3 次效果最佳，进行继续试验。曲线形式为：Y=-0.0003*MV1*MV1*MV1-0.0803*MV1*MV1+3.3464*MV1-12.4776;1616 / 30在命令语言输入语言加入前馈：按钮“取消前馈按下时”写入：MV2=MV1;QIANKUI=0;按下“加入前馈”时，写入：解释：MV2=MV1-0.01*C; 输入到阀门的信号由百特 2 输出，当偏差 C=PV2-Y为正时，说明实际流量比正常值大，流量大时，通过公式输出比原来控制信号MV1 小的信号输入给阀门，使液位不至于一下突变太大：反之亦然，PV 实际流量过小，输出比 MV1 大的信号使液位回升，保持稳定。由于本系统扰动不大，常态干扰变化基本没有，前馈系数只是用-0.01 代替，起到前馈作用，而不精确。五、控制系统仿真研究仿真的基本思想是利用物理或数学的模型来类比模仿现实过程，寻求规律。它的既相互是相似现象。计算机仿真也称为计算机模拟，就是利用计算机对所研究的结构、功能和行为以及参与控制系统的主控者人的思维过程和行为，进行动态的比较和模仿，利用建立的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来。在这里我们要用 MALAB 软件来对水箱水位控制系统进行仿真建模试验，基本分为三步，第一步利用此软件所提供的工具箱建立水箱水位推理系统，第二步利用 Smulink 工具箱对此系统进行设计与仿真，第三部对传统的 PID 控制进行参数整定。5.1 非线性上水箱液位系统的推理及建立当副回路流量波动较大时，首先通过流量监测器监测，并通过控制器直接1717 / 30作用到调节阀，改变调节阀的开度，从而实现快速调节水箱液位高度。但是前馈是开环控制系统，不能监测被控目标控制效果，所以经常和反馈一起使用。从而使控制目标稳定。上水箱是一个柱形的水箱，对其进行截面并且使用机理建模，过程如下：A=2L 5-1R2-(-()2 5-2 A() =Qi(t)- Qo(t)= 5-3() Qi(t)- Qo(t)2LR2-(-()2其中，A 为水箱的底面积，L 水箱的长度由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位 H 与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为 与 H 成正比，而与阀的阻力 R1Qo成反比，即 5-4Qo(t)=()1将 1-4 带入 1-3 得：= - ) 5-5() 1*Qi(t)2LR2-(-()2 (对式 5-5 进行相应的拉氏变换就可以得到对象的传递函数。对水箱对象，利用已测数据绘图如下：1818 / 30由阶跃响应曲线辨识传递函数，得对象的传递函数为：5-6()= 1.267156+1对于前馈过程，利用已测数据绘图如下：由阶跃响应曲线辨识传递函数，得前馈传递函数为：5-7()= 1.138144+1对于调节阀，利用已测数据绘图，得调节阀的流量特性如下：x=L/Lmax y=Q/Qmax0 01919 / 3010 120 1530 4240 5950 7060 8870 9180 9490 96100 100知道，调节阀的流量特性为快开。的阀的反馈系数为：K= 0.8982=5.3 进行 Simulink 模型仿真由系统方框图，可以对系统进行仿真，首先打开matlab，在图形工具栏点击 进入simulink界面，选择相应的函数块和其他的相应模块，进行相应的组件连线， 连接后的仿真程序如下：2020 / 30点击 运行，结果如下：对PID控制器的参数进行整定：在本设计的液位控制中利用前馈-反馈模型来实现 PID 调节。在连续控制系统中，常采用 Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为 PID 控制。PID 控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。其具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。PID 控制器是一种线性控制器，它是对给定值: 和实际输出值 之间)(tr)(ty的偏差 ：)(te2121 / 305-8)()(tryte比例积分微分驱动 控制对象)(tu+ )(ty图 3.4 PID 控制原理框图经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量 ，对被)(tu控对象进行控制，故称 PID 控制器。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成，为 PID 调节器输出的调节量.)(tuPID 控制规律为：= 5-9)(tyKpdteTteit )()(1)(式中： 为比例系数； 积分时间常数； 为微分时间常数由于式 5-9I DT为模拟量表达式, 使用位置式 PID 数字控制器会造成 PID 运算的积分积累,引起系统超调,这在生产过程中是不允许的。由此, 经过转换得到增量式算法5-10)2()1(2()(1) kekekekut ddpdip增量式PID控制算法是对偏差增量进行处理, 然后输出控制量的增量, 即执行机构位置的增量。增量式 PID 数字控制器不会出现饱和, 而且当计算机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值,保持系统稳定,因此在此系统中增量式算法被采用作为编程算法来使用。采用PI控制的结果如下：)(tr2222 / 30P=20 I=15 D=0采用PID控制的结果如下：P=20 I=15 D=5分析如下：由以上控制结果知道，PID 调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、 积分和微分的函数关系进行运算, 其运算结果用以输出控制。在系统输出误差绝对值较大时系统采取饱和输出工作方式,这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量, 在系统余差的绝对值比较小时采用增大积分系数的办法, 从而可以提高系统的稳态精度。微分控制算法简单,参数调整方便,并且有一定的控制精度, 能感觉出余差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应, 使超调减小, 对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于改善系统的动态性能指标有显著效果，可以获得比较满意的控制效果。PID2323 / 30控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性，因此它成为当前最为普遍采用的控制算法。根据上一节仿真结果的比较，我们能看出模糊控制较传统的 PID控制来讲具有响应速度快、适应性较强，即鲁棒性好、超调量小稳定时间较长等优点，显示出预期良好的稳态性能。六、控制系统的投运与参数整定实验1系统投运过程系统默认打开后为手动控制，通过编程命令实现。之后，在手动控制下改变 MV 值，即系统操纵变量值，从而手动改变 PV 实际液位，当实际液位 PV 等于给定值 SP 时，切换到自动状态，完成无扰动切换，之后系统根据给定，P，I，D 的系数值进行自动调节，到此完成系统投运过程。2反馈的回路 PID 整定反馈部分投运如 1 中所述，继而把 P 设为一常数，积分时间最大，微分时间最小，给一百分之十以内的阶跃进行测试，当出现 4 比 1 衰减震荡时，记录此时比例度，根据数据库查找震荡周期，可选两波峰或波谷的位置进行测量，记下周期 Ts，根据比例度和 Ts 用公式计算此时合适的 PID 参数，之后再进行微调调节 PID 参数的大小。本实验得到 4 比 1 衰减曲线为024681012141614:11:29 14:11:32 14: 1:35 14: 1:38 14: 1:41 4 1:44 4 1:47 4 1:50 4 1:53 4 :56 4 1:59 4 2:02 2:05 12:08 12:11 12:14 4 1 : 7 4 12:20 4 12:23 4 2:26 4 :29 4 :32 4 1 :35 4 1 :38 4 12:41 12:44 4 1 :47 4 12:50 4 12:53 4 12:56 4 12:59 4 3:02 13:05 1 :08 13:11 13:14 4 13: 7 4 13:20 4 13:23 4 3:26 4 3:29 4 3:32 4 13:35 4 1 :38 4 1 :41 1 :44 4 1 :47 4 13:50 4 13:53 4 13:56 4 13:59 4 4:02 14:05 14:08 14:11 14:14 14: 7 14:20 14:23 4:26 :29 4:32 14:35 14:38 14:41 14:44 14:47 1 :50 1 :53 1 :56 1 :59 :02 1 :05 1 :08 15:11 15:14 4 15: 7 4 1 :20 4 15:23 4 5:26 4 5:29 系 列 1此时比例度为 10，周期为 45s。通过计算得出的实验结果是比例度 12，积2424 / 30分时间 22s。然而，当把此数据进行投运时，实际整定效果并不佳，因而我们进行了调整，进行多次数据测试，测试结果如下。L0246810121416182010:45:30 3694210:45: 5 8514710:46: 0 369210:46: 5 81247010:46: 3 692510 4 : 8 1477 010 : 3 692510 4 : 8 12470310 7: 6 925810 : 1 474 031 : 6 925811 : 4 8 70 0361 : 9 2581: 4 74 0369: 2 5814:57 0 0360 9: 2 581 5 1247: 0 0 3692: 5 81457: 0 3692: 5 81 1241 70: 3 6925: 8 1470: 3 692581 : 1 24700 3: 6 92585 : 1 47036: 9 3 2581:24 700 36: 9 2581 5 1: 4 70369: 2 5814: 7 0 4 0369: 2 581 5 147: 0 3692: 5 815 470 : 0 36925: 8 1 1470: 3 6926 5: 8 1470 03: 6 92581 5 : 1 45700 3: 6 9258: 1 4707 36: 9 2581 5 1: 4 5700 36: 9 258148: 7 0369: 2 581 14:57 00 3692: 5 9 8147: 0 3692: 5 1 81457: 0 30 6925: 8 1 12470: 3 0 6925: 8 11 45703: 6 9258: 1 2471 030 : 6 925811 : 4 57036: 9 2581:24 7030 69: 2 5814:57 0369: 2 58124: 7 030 63 92: 5 81 147: 0 3692: 5 8124704: 3 0 6925: 8 1 1470: 3 69258: 1 5 247030 : 6 92581 : 1 4703: 6 925811 :24 7030 6: 9 6 2581: 4 70369: 2 5811 4: 7 0307 69: 2 58147: 0 30 692: 5 811 48 7: 0 36925: 8 1470: 3 0 6925: 8 1 1470: 3 6929 58: 1 45703: 6 92581 : 1 41 70360: 9 2581: 4 1 57036: 9 25814: 7 1 0369: 2 5814:57 0369: 2 581247: 0 3692: 5 2 8141 57: 0 36925: 8 12470: 3 693 25: 8 141 5703: 6 9258: 1 24704 3: 6 92581: 4 1 57036: 9 2581:24 7036: 9 258141 : 7 0369: 2 58124: 7 0369L最终取定比例度为 15，积分时间 300。.整定后曲线如下：14 工作点上阶跃：1313.51414.51515.51616.510:58:39 10:58:42 10:58:45 10:58:48 10 58:51 10 58:54 10 58:57 10 59:00 10 9: 3 10 9:06 10 9:09 10 59:12 10 59:15 10 59:18 5 :21 10 59:24 1 59:27 1 59:30 10 9:33 10 59: 6 0 59:39 0 59:42 0 59:45 10 59:48 0 5 :51 10 59:54 1 59:57 11 00:00 11 00:03 1 0: 6 1 :09 1 :12 1 0:15 :18 1 0:21 1 0:24 1 0:27 1 0:30 0:33 0:36 0: 9 1 :42 1 00:45 0:48 1 0:51 11 0:54 1 0:57 1 1:00 1 0 : 3 1 01:06 1 01:09 1:12 11 01:15 1:18 :21 0 :24 0 :27 01:30 0 :33 01: 6 01:39 01:42 1 01:45 1:48 01:51 01:54 01:57 系 列 116 工作点下阶跃：2525 / 300246810121416181 4 7 10131619222528313437404346495255586164677073767916 工作点上阶跃：1515.51616.51717.51811:10:18 1:10:21 1:10:24 :10:27 0:30 10:33 10: 6 0:39 1 :42 10:45 10:48 10:51 10:54 10:57 11:00 : 3 : 6 1:09 1:12 11 1:15 1:18 :21 1 :24 :27 1:30 :33 11: 6 1:39 1:42 1:45 1:48 1:51 1:54 1:57 2:00 12: 3 12: 6 2:09 12:12 12:15 12:18 12:21 :24 2:27 :30 1 :33 1 1 : 6 2:39 12:42 12:45 12:48 12:51 1 :54 12:57 13:00 13: 3 13: 6 3:09 13:12 1 :15 1 :18 13:21 3:24 3:27 3:30 13:33 1 13: 6 :39 系 列 118 工作点下阶跃：2626 / 30141516171811:12:51 1:12:54 1:12:57 :13:00 :13: 3 13: 6 3:09 13:12 13:15 1 :18 13:21 13:24 3:27 3:30 3:33 13: 6 : 9 1 :42 13:45 1 1 :48 13: 1 13:54 13:57 14:00 14:03 14: 6 :09 4:12 14:15 1 14:18 14:21 14:24 1 4:27 4:30 4:33 14:36 : 9 14:42 14:45 14:48 1 : 1 1 :54 1 :57 1 :00 1 : 3 1 : 6 5:09 15:12 15:15 15:18 15:21 15:24 5:27 :30 5:33 15:36 5: 9 15:42 15:45 1 15:48 15: 1 15:54 15:57 16:00 16:03 16: 6 6:09 6:12 16:15 1 16:18 1 :21 16:24 1 6:27 6:30 6:33 16:36 6: 9 系 列 1七、实验结果及分析1液位控制系统控制器参数整定，不同控制器参数对控制品质的影响我们参数整定过程中，出现很多情况，当带入实验公式得出的数据时，整定效果并不好，这时就需要，我们自己进行经验试凑，把参数调的更好，时调节性能更佳。液位对象用 PI 即可达成很好的控制效果，但对于比例度和积分时间也需要经验才能调好。比例参数的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度.比例参数越大,系统的响应速度越快,调节精度越高,但容易产生超调,导致系统不稳定;比例参数取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢 ,从而延长调节时间,静态动态特性变坏。积分参数的作用是消除系统的稳态误差.积分参数越大,系统的静态误差消除越快,但若过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调.若积分参数过小,将使系统静态误差难以消除。 同时增大比例度和积分时间又是会是效果更好。2实验结果（1）获得的曲线。参数整定曲线：2727 / 301414.51515.51616.51717.51818.511:07:0011:08:0911:09:1811:10:2711:11:3611:12:4511:13:5411:15:03系 列 1下阶跃有明显超调，且测量点越靠近水箱底部，超调量越大，同样的，测量点靠近底部时，上阶跃也有变化，靠近底部时，调节时间变长。通过分析，我们知道这和圆水箱非线性有关，当阀门信号过小，或过大时，即靠近上下极限液位时，相同流量液位变化靠近两边上下极限时液位变化剧烈，因此若要实际进行工况控制水位，必须尽量把测量点液位控制在水箱中部，来减小非线性对系统的影响。（2）各个控制条件下的超调量，残差，以及控制稳定所需要的时间。对象特性：1）.在 MV 给定 7 时加 1 点阶跃 看曲线变化情况5.25.45.65.866.26.415:25:4315:26:1315:26:4315:27:1315:27:4315:28:1315:28:4315:29:1315:29:43LL超调基本为零，余差存在，而很小，基本为 0.1mA，Ts=30s。2）.在 MV 给定 12 时加 1.2