多回路控制系统的设计和仿真.pdf

本科实验报告本科实验报告 课程名称 过程控制工程 姓 名 唐子涵 院 系 控制系 专 业 控制 0904 学 号 3090104383 指导教师 戴连奎 2012 年 4 月 16 日 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 1 目录目录 一 实验目的和要求 2 二 主要仪器设备 2 三 实验内容和模型建立与实现 2 A 实验背景描述 2 B 仿真模型建立 4 C 仿真任务 1 使用串级控制的多回路控制策略 6 D 仿真任务 2 使用前馈控制的多回路控制策略 12 E 总结 18 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 2 实验报告实验报告 课程名称 过程控制工程 指导老师 戴连奎 成绩 实验名称 多回路控制仿真练习 实验类型 同组学生 一 实验目的和要求 必填 二 实验内容和原理 必填 三 主要仪器设备 必填 四 操作方法和实验步骤 五 实验数据记录和处理 六 实验结果与分析 必填 七 讨论 心得 一 实验目的和要求一 实验目的和要求 1 学习搭建 SimuLink 仿真模型的过程和方法 2 学习多回路控制策略的设计和实现方法 3 学习在 SimuLink 仿真环境下对多回路控制系统进行 PID 参数整定 4 在闭环的条件下 学习对系统的动态特性进行评估的方法 二 主要仪器设备二 主要仪器设备 PC 机 Matlab 软件 三三 实验内容和 实验内容和模型建立模型建立与实现与实现 A 实验背景描述实验背景描述 针对某一单程逆流列管式换热器 对应的工艺介质出口温度单回路控制系统如图 3 1 所 示 它采用饱和蒸汽冷凝所释放的热量对工艺介质进行加热 使工艺介质的出口温度 2 T稳 定在某个定值 图 3 1 中 F R为工艺介质流量 1 T为工艺介质的进口温度 它们都由上游流程决定 是影响工艺介质出口温度 2 T的主要干扰 V R为加热蒸汽流量 作为工艺介质出口温度 2 T的 专业 自动化 控制 姓名 唐子涵 学号 3090104383 日期 2012 4 16 地点 玉泉五舍 515 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 3 控制手段 V P 为蒸汽入口压力 u为蒸汽控制阀的相对输入信号 以 DDZ III 型为例 当 输入电流为 4 mA 时 对应相对输入信号为 0 当输入电流为 20 mA 时 对应相对输入信 号为 100 图中 1m T 2m T Fm R Vm R分别为 1 T 2 T F R V R的测量值 T2 RV RF T1m 蒸汽 工艺介质 凝液 T1 RFm TT 12 FT 31 T2m TT 11 FT 32 RVm u PV TC 11 T2sp 图 1 换热器温度控制问题 该模型应包含对象下列非线性静态关系和动态特性 假设换热器满足如下的稳态热平衡方程 2 1 1 其中代表工艺介质的比热 为饱和蒸汽的汽化热 表示换热器的传热效率 并有 450 2 此外 1 分别为 1 的稳态值 现在假设 1 与 1 之间的动态关系分别为 1 1 1 1 4 2 5 1 3 3 2 1 4 1 3 4 3 1 5 1 5 5 假设该换热器的静态工作点为 0 20 V R kg min 0 150 F R kg min 0 1 30T 假设在静态工作点处有阀门的相对输入信号 80 0 u 80 0 V f 0 100 V P kPa 这里 V f为蒸汽阀的相对流通面积 又假设控制阀为线性阀 其动态特性可表示为 1 1 sTsu sf sG V V v 6 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 4 这里假设 TV 0 5 min 对于饱和蒸汽流量对象 假设 与控制阀开度 阀前压力 的静态特性满足下面方 程关系 0 025 7 各传感变送器的测量范围分别为 TT 11 的测量范围为 0 200 TT 12 的测量范围为 0 60 FT 31 的测量范围为 0 300 kg min FT 32 的测量范围为 0 50 kg min 1 T 2 T F R V R的测量值 1m T 2m T Fm R Vm R均用 来表示 即 1m T 2m T Fm R Vm R的最小 值为 0 最大值为 100 假设流量测量仪表的动态滞后忽略不计 而温度测量环节可用一阶环节来近似 并且两 个温度测量环节的一阶时间常数均为 0 6 min B 仿真模型建立仿真模型建立 将式 2 3 4 5 代入式 1 则可得到如下结果 2 2 1 1 3 8 当输入为 1 而对象输出为 2时 有 2 1 1 3 2 9 依据式 9 可在 SimuLink 下构建如图 2 所示的换热器 HeatExchanger 子系统模型 图 2 换热器 HeatExchanger 子系统模型 由式 6 7 可以得到如下关系 0 025 10 温度测量环节可以表示为 1 1 11 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 5 其中时间常数 T 0 6min 由此可以搭建相对应的广义对象 GeneralizedObject 子系统模型 图 3 广义对象 GeneralizedObject 子系统模型 在 SimuLink 中搭建所使用的 PID 控制器子系统模型 图 4 PID Controller 子系统模型 由此搭建单回路控制系统如下 图 5 控制系统的仿真模型 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 6 C 仿真任务仿真任务 1 使用 使用串级控制的多回路控制策略串级控制的多回路控制策略 主要考虑阀前压力 的干扰 知 被控变量 2对 的变化感受较慢 而蒸汽流量 对 的变化感受较快 故这里选用一个 温度 流量 串级控制 加入串级控制后的带控制点的工艺流程图为 图 6 温度 流量 串级控制的工艺流程图 改进之处在于加入了副控制器 FC31 从而构成了 温度 流量 串级控制 蒸汽流量 对 的感受较快 这里主要为了消除蒸汽压力 变化时产生的纯滞后 同时 副回路包 括了蒸汽供应子系统的非线性环节 可以消除一些非线性 该 温度 流量 串级控制的方块图为 图 7 温度 流量 串级控制的方块图 温度控制器 TC11 流量控制器 FC31 控制阀 Pv FT32 FT32 fv RvFsp Rvm T2 T2m Tsp FT31 TT12 Rf T1 T1m Rfm u 广义控制阀 副回路 广义对象 主回路 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 7 控制阀为气开阀 正作用 故流量控制器 FC31 为反作用控制器 当检测到的温度 2 增 大时 应该减小蒸汽流量 故 减小 温度控制器 TC11 为反作用控制器 对已构建的仿真模型 修改如下 将原广义对象模型中的 作为一个输出 经归一化 引出 加入副控制器和副回路 引入串级控制 具体如图 8 图 9 图 8 修改后的原广义对象 GeneralObeject 子系统 图 9 修改后的 温度 流量 串级控制多回路控制系统 对该系统进行PID参数整定 首先将Man Auto和Auto Cas档均调至Man档 由UManual 设置阶跃输入 由于该回路为流量回路 整定原则时 0 1 调整 使对阶跃输入的 跟踪不出现超调 副控制器 FC31 的参数如表 1 所示 表 1 副控制器 FC31 的 PID 参数 控制器 FC31 4 0 1min 0 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 8 将 Man Auto 调至 Auto 档 由 sp设定流量控制器 FC31 设定值的阶跃输入 测得该 温 度 流量 串级控制系统中主控制器 TC11 的广义对象的动态特性如下 图 10 主控制器 TC11 的广义对象的输出特性曲线 由图 10 的数据 可以读读的控制通道的特性参数如下 52 5 45 50 40 0 75 1 5 0 632 0 283 5 1 0 632 0 6 1 12 采用 Lambda 法进行 PID 参数整定 该温度控制器 TC11 采用 PID 控制策略 整定 后的参数如表 2 所示 表 2 主控制器 TC11 的 PID 参数 控制器 FC31 0 929 5 1min 3 05min 设置好相应的 PID 参数 对该系统进行对设定值的跟踪响应 可以得到图 11 所示曲线 按照下述干扰变化设置相应干扰 2 45 10 42 120 60 110 100 1 30 160 20 190 250 350 150 可以得到 温度 流量 串级控制系统中 2m和 U 的响应曲线如图 12 和图 13 所示 04812162024283236404448525660646870 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 time min U TO 广 义 对 象 输 出 TO U 10 时 广 义 对 象 的 阶 跃 输 入 TO 47 12 t 17 8min TO 49 74 t 21 2min 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 9 图 11 温度设定值的跟踪响应曲线 图 12 温度 流量 串级控制系统中广义对象输出 2m的干扰响应曲线 0510152025303540455055606570 41 5 42 42 5 43 43 5 44 44 5 45 45 5 time min TO CO 广 义 对 象 输 出 对 温 度 设 定 值 Tsp的 跟 踪 响 应 广 义 对 象 输 出 TO Tsp 3 的 阶 跃 输 入 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 time min TO 温 度 流 量 串 级 控 制 系 统 的 广 义 对 象 输 出 TO 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time min U 温 度 流 量 串 级 控 制 系 统 的 蒸 汽 阀 门 相 对 输 入 信 号 U 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 10 图 13 温度 流量 串级控制系统中蒸汽控制阀相对输入信号 U 的干扰响应曲线 对比 温度 流量 串级控制系统和单回路控制系统 可以得到图 14 和图 15 所示曲 线 从中可以看出串级控制的优点 可以消除蒸汽压力 干扰对广义对象输出 TO 的影响 同时在蒸汽压力产生干扰时 蒸汽控制阀会有提前操作 图 14 广义对象输出 2m的干扰响应曲线 图 15 蒸汽控制阀相对输入信号 U 的干扰响应曲线 从图 15 中可以看出 在大约 250 400 时 温度 流量 串级控制系统存在积分 饱和现象 主要原因是在 250时突然加大了工艺介质流量 从150 增大到了 190 此时主控制器 TC11 做出了增大蒸汽流量的决定 然而当蒸汽控制阀全开 即 100 时 仍然无法使工艺出口温度 2稳定到设定值 此时的控制阀只能尽力而为的保 持全开状态 从控制器的角度来说 当持续进行积分作用 使 U 的值超过 100 此时控制阀 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 time min TO 温 度 流 量 单 回 路 控 制 系 统 中 广 义 对 象 输 出 TO 串 级 控 制 系 统 中 广 义 对 象 输 出 TO 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time min U 温 度 流 量 串 级 控 制 系 统 单 回 路 控 制 系 统 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 11 全开 达到饱和 控制器试图消除余差 将会继续积分作用 然而 U 再增大也无法调节控 制阀 即达到积分饱和 从图可以看出 蒸汽阀的相对输入在 400左右时才下降 这是 因为这里存在积分饱和现象 在这里 我们可以对主控制器 TC11 进行修改 使用串级系统的抗积分饱和的控制器 用 取代 u 进行引入积分环节 当副回路的输出 u 达到限值时 主控制器输出追踪 将副控制器的输出限制在 100 具体的原理图如图 16 所示 图 16 抗积分饱和原理 积分饱和与抗积分饱和的曲线如下 图 17 抗积分饱和与积分饱和 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 time min TO 积 分 饱 和 抗 积 分 饱 和 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 12 图 18 积分饱和与抗积分饱和 D 仿真任务仿真任务 2 使用前馈控制的多回路控制策略 使用前馈控制的多回路控制策略 仿真任务 1 中的串级控制系统 只能有效的消除蒸汽压力 的干扰 现在考虑工艺介质 入口温度 1和工艺介质流量 的干扰 引入前馈控制 加入前馈控制的带控制点的工艺流程图为 图 19 前馈控制的工艺流程图 改进之处 加入了前馈控制器 FFC 为了消除干扰 1和干扰 的影响 通过一系列计 算 由 1 以及温度控制器 TC11 的输出之间的关系 从而推导出蒸汽流量 的设 定值 该前馈控制系统的方块图如图 20 所示 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time min U 积 分 饱 和 抗 积 分 饱 和 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 13 图 20 前馈控制系统的方块图 控制阀为气开阀 正作用 故流量控制器 FC31 为反作用控制器 当检测到的温度 2 增 大时 应该减小蒸汽流量 故 2减小 温度控制器 TC11 为反作用控制器 对仿真任务 1 中的仿真模型 修改如下 将原广义对象模型中的 1经测量作为输 出并引出 作为前馈控制 FFC 的输入引入 对温度控制器 1 的输出按照 2进行反归一化处 理 由百分量变成具体数值 前馈控制器 FFC 的输出按 进行归一化 前馈控制器 FFC 的 表达式为 3 2 1 450 具体细节如图 21 图 22 所示 图 21 修改后的原广义对象 GeneralObeject 子系统 温度控制器 TC11 流量控制器 FC31 控制阀 Pv FT32 FT32 fv RvRvsp Rvm T2 T2m Tsp FT31 TT12 Rf T1 T1m Rfm u 广义控制阀 副回路 广义对象 主回路 u2 K1 前馈控制器 FFC 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 14 图 22 修改后的 温度 流量 串级控制多回路控制系统 对该系统进行PID参数整定 首先将Man Auto和Auto Cas档均调至Man档 由UManual 设置阶跃输入 由于该回路为流量回路 整定原则时 0 1 调整 使对阶跃输入的 跟踪不出现超调 副控制器 FC31 的参数如表 3 所示 表 3 副控制器 FC31 的 PID 参数 控制器 FC31 4 0 1min 0 将 Man Auto 调至 Auto 档 由 sp设定流量控制器 FC31 设定值的阶跃输入 测得前馈 控制系统中主控制器 TC11 的广义对象的动态特性如下 图 23 主控制器 TC11 的广义对象的输出特性曲线 由图 10 的数据 可以读读的控制通道的特性参数如下 05101520253035404550556065707580 44 5 45 5 46 5 47 5 48 5 49 5 50 5 time min TO CO U 5 时 广 义 对 象 阶 跃 输 出 TO 广 义 对 象 阶 跃 输 入 U TO 46 42 t 17 49min TO 48 16 t 20 85 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 15 50 45 50 45 1 1 5 0 632 0 283 5 04 0 632 0 5 81 13 采用 Lambda 法进行 PID 参数整定 该温度控制器 TC11 采用 PID 控制策略 整定 后的参数如表 3 所示 表 3 主控制器 TC11 的 PID 参数 控制器 FC31 0 723 5 04min 2 91min 设置好相应的 PID 参数 对该系统进行对设定值的跟踪响应 可以得到图 24 所示曲线 图 24 温度设定值的跟踪响应曲线 按照仿真任务 1 中的参数设置干扰 可以得到前馈控制系统中 2m和 U 的响应曲线如 图 25 和图 26 所示 05101520253035404550556065707580859095100 41 5 42 42 5 43 43 5 44 44 5 45 45 5 广 义 对 象 输 出 对 温 度 设 定 值 Tsp的 追 踪 响 应 time min TO Tsp 广 义 对 象 阶 跃 输 出 TO Tsp 3 的 阶 跃 输 入 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 time min TO 前 馈 控 制 系 统 中 广 义 对 象 输 出 TO 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 16 图 25 前馈控制系统中广义对象输出 2m的干扰响应曲线 图 26 温度 流量 串级控制系统中蒸汽控制阀相对输入信号 U 的干扰响应曲线 对比 温度 流量 串级控制系统和单回路控制系统 可以得到图 27 和图 28 所示曲 线 从中可以看出前馈控制的特点 可以消除蒸汽压力 干扰对广义对象输出 TO 的影响 减少工艺介质温度 1 工艺介质流量 的影响 同时使蒸汽控制阀的操作有较为明显的提 前操作 图 27 广义对象输出 2m的干扰响应曲线 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time min U 前 馈 控 制 系 统 中 蒸 汽 阀 的 相 对 输 入 信 号 U 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 time min TO 前 馈 控 制 系 统 中 广 义 对 象 输 出 TO 单 回 路 控 制 系 统 中 广 义 对 象 的 输 出 TO 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 17 图 28 蒸汽控制阀相对输入信号 U 的干扰响应曲线 从图 27 中可以看出 在大约 250 400 时 温度 流量 串级控制系统存在积分 饱和现象 主要原因是在 250时突然加大了工艺介质流量 从150 增大到了 190 此时主控制器 TC11 做出了增大蒸汽流量的决定 然而当蒸汽控制阀全开 即 100 时 仍然无法使工艺出口温度 2稳定到设定值 此时的控制阀只能尽力而为的保 持全开状态 从控制器的角度来说 当持续进行积分作用 使 U 的值超过 100 此时控制阀 全开 达到饱和 控制器试图消除余差 将会继续积分作用 然而 U 再增大也无法调节控 制阀 即达到积分饱和 从图可以看出 蒸汽阀的相对输入在 400左右时才下降 这是 因为这里存在积分饱和现象 在这里 我们可以对主控制器 TC11 进行修改 使用串级系统的抗积分饱和的控制器 用 取代 u 进行引入积分环节 当副回路的输出 u 达到限值时 主控制器输出追踪 将副控制器的输出限制在 100 PID 控制器的原理图如图 16 所示 修改后的前馈控制系统 如图 29 所示 其中 FFC1 的表达式为 1 3 2 u 2 450 2 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time min U 前 馈 控 制 系 统 的 蒸 汽 控 制 阀 相 对 输 入 U 单 回 路 控 制 系 统 的 蒸 汽 控 制 阀 相 对 输 入 U 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 18 图 29 加入抗积分饱和后的前馈控制系统 积分饱和与抗积分饱和的曲线如下所示 图 30 积分饱和与抗积分饱和 图 31 积分饱和与抗积分饱和 E 总结总结 将三种控制策略绘制在同一张图上可以看到三种控制策略的特点 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 time min TO 积 分 饱 和 抗 积 分 饱 和 0255075100125150175200225250275300325350375400425450475500 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 time min U 积 分 饱 和 抗 积 分 饱 和 实验名称 多回路控制仿真练习 姓名 唐子涵 学号 3090104383 19 图 32 广义对象输出 2m的干扰响应曲线 图