过程控制课程设计--双容水箱液位串级控制系统.doc

佛山科学技术学院课程设计用纸课程设计任务书 电气工程与自动化 专业 10 年级 1班 陈志高 一、 设计题目双容水箱液位串级控制系统二、 主要内容熟悉THJ-2型高级过程控制系统实验装置，获取电动阀支路的流量和变频器磁力泵支路的流量曲线，利用实验建模法求出它们的数学模型。根据串级控制，选择合适的双回路调节器控制规律，并在Matlab上进行仿真。最终在过程控制系统实验装置平台上完成实际系统的调试，并说明两种方法的所得结果的差别。三、 具体要求从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。1. 分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。2. 根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。3. 在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。4. 了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。5. 分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。四、 进度安排第一周分组；查找资料；对象模型的获取，Matlab仿真第二周系统调试，撰写课程设计报告，答辩五、 完成后应上交的材料课程设计报告。六、 总评成绩指导教师 签名日期 年 月 日系 主 任 审核日期 年 月 日摘 要 本设计以THJ-2型过程控制实验装置为基础，目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。关键字：双容液位 串级 PID控制 电动阀 磁力泵 计算机过程控制系统目 录一设计任务分析1二控制系统总体方案的设计12.1设计目的12.2设计要求12.3双容液位控制系统的结构22.4双容液位控制系统的特点 3三双回路参数整定33.1被控对象特性测试方法 43.2电动阀传递函数测试 53.3用MATLAB进行仿真6四系统参数调节 84.1比例系数的整定 84.2系统参数的整定94.3 PID串级控制系统设计9五设备使用说明 11 5.1系统主要组成 115.2操作前准备115.3控制面板接线说明11六结果与分析 126.1给定阶跃响应曲线 12七. 心得体会 16八参考文献 17附录：实验总图 18 一设计任务分析在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。设备上包括的传感器及执行机构如下（本次课程设计中的）：上、中、下三个水箱的压力变送器，电磁阀，电动调节阀，变频磁力泵，差压变送器，压力表，涡轮流量计等。虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。 在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。二控制系统总体方案的设计2.1设计目的在本课程设计中，要求学生以现有实验装置为基础，进行控制系统的设计，设定合适的PID参数，以达到要求的控制系统性能指标，并分析PID的三个调整参数对控制系统的影响。综合考虑抗干扰问题、控制系统的稳定性、鲁棒性、动态性能、稳态偏差等，对所设计的控制系统进行分析等。通过一次完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握过程控制系统课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将过程检测与控制仪表、自动控制原理、微机控制技术和过程工程基础等课程中所学到知识进行综合应用。锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。2.2设计要求按课程设计指导书提供的课题，根据给出的设计任务，自己设计系统结构，分析系统的特点和系统特性，按“可选”的被控对象设计相应的控制系统，并在实验室连接系统部件、构造硬件系统。可以自己跳线、连线，并连好对象、控制器、计算机。通过用控制器、监控计算机和实验对象的联机调试、执行、观察结果，达到预期应用功能和控制目的，比较不同方案的应用效果，完整的设计任务书。能够查阅工艺过程相关资料。依据工艺要求分析、比较、设计方案（对其合理性、工作原理及工作过程做出说明）。被控对象以及仪器仪表的描述。控制方案的选择及其论述，控制系统方框图及其说明。完成对象的特性曲线的测试，建立对象的数学模型。在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果，记录调节器参数值以及仿真结果曲线。画出控制系统连线示意图及说明，记录最佳控制结果的调节器参数以及结果曲线。仿真结果与实际操作调试结果的比较说明。设计体会。撰写规范化的说明书一份。2.3双容液位控制系统的结构双容液位过程如下所示： 图2-2两容器的流出阀均为手动阀门，流量Q1只与容器1的液位h1有关，与容器2的液位h2无关。容器2的液位也不会影响容器1的液位。 由于两容器的流出阀均为手动阀门，故有：其对应的拉式变化为Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-1）Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-2）令容器1、容器2相应的阀门液阻分别为和,其中Q(s)= （2-3）Q(s)= （2-4）将（2-3）和（2-4）带入（2-1）和（2-2），可得= （2-5）令T=AR,T=AR,可得（2-6）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1/R1倍。令Qi=ku，对液位h则控制系统过程传递函数为：（2-7）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。2.4双容液位控制系统的特点双容水箱作为工业过程控制中常见的被控对象,其液位控制具有大惯性滞后、系统参数时变的特点，但在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员干预，能够依靠其自身重新恢复平衡。三回路参数整定过程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。建立过程数学模型的基本方法，一般来说有机理分析法和试验法两种。双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图3-1所示的阶跃响应曲线上求取：h2(t)=|t=t1=0.4h2()时曲线上的点对应的时间为97sh2(t)=|t=t2=0.8h2()时曲线上的点对应的时间为207s图3-1双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算 T1+T2=(t1+t2)/2.16T1*T2/( T1+T2)=1.74*t1/t2-0.550.32t1/t20.46机理分析法虽然具有很大的普遍性，但是，许多工业过程其内部机理较复杂，所以对这些过程进行建模，单独采用其中一种方法，想要比较精确的建立其模型，是比较困难的。所以，在实际应用时，往往采用两种方法相结合来求得对象的数学模型。通常对被控对象的组成部分进行机理分析，分析对象是由哪些部分串联或并联组成最终可以得出对象模型的结构，然后根据试验建模法再求得模型结构中的参数。试验法在实际的应用中的关键的一个环节是过程响应曲线的获得，其中获得的方法有阶跃响应曲线法和矩形脉冲响应曲线法两种。3.1被控对象特性测试方法被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。我们采用的是第二种方法，被控对象为单容水箱对典型输入信号的响应曲线来确定它的数学模型。3.2电动阀传递函数测试采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、控制单元与电动执行机构一体化、操作方便等优点，控制信号为420mA DC或15V DC，输出420mA DC的阀位信号，使用和校正非常方便。（1）在实验设备上，打开阀门F1-1、F1-2、F1-7全开,将F1-10、F1-11开到适当开度，调节下水箱闸板开度，其余阀门关闭，构成双容的单回路液位控制。检查所有的测量原件和接线及其他原件均无误后，再进行下面的操作。（2）开启电动调节阀到一定开度， 防止泵出口压力过高。（3）启动计算机组态软件，进入实验系统选择“双容水箱液位单回路控制实验”。（4）调节阀特性测试：将调节器的调节方式设置为手动，按照下表将调节阀至于不同的开度，记录在其不同开度下的输入流量的变化实验数据记录如下：调节阀控制信号（%）流量（%）205.4258.93011.83514.140164517.55018.75519.86020.96521.87022.57523.1根据记录的数据作出特性曲线如下：从特性曲线上可以得出：该调节阀的特性是电开特性y= -0.004037*x2 + 0.7055*x + -6.58（Y是流量，X是阀门开度）3.3用MATLAB进行仿真clear num,txt,raw=xlsread(C:UsersJaclisyDesktopfinal.xlsx);plot(num(:,1),num(:,2)hold on;plot(97,2.05,.r,MarkerSize,20)plot(270,4.1,.r,MarkerSize,20)plot(0:97,2.05)line(97,97,0 2.05,linestyle,:,color,r);plot(0:270,4.1)line(270,270,0 4.1,linestyle,:,color,r);text(0.2,2.2,0.4h(t)text(0.2,4.3,0.8h(t)text(100,0.1,97)text(271,0.1,207)%hold on; K=5.13/0.1;syms T1 T2T1,T2=solve(T1*T2/(T1+T2)2=0.0751,T1+T2=169.9074)T1 =13.897T2 = 156.01G = 51.3 exp(-5*s) * - 2168 s2 + 169.9 s + 1系统传递函数阶跃曲线四PID控制系统参数调节4.1 PID控制原理 目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。y(t)+r(t) 比例P积分I微分D被控对象图4.1.1 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：。PID控制规律为：或以传递函数形式表示：式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。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。4.2 PID控制系统参数的整定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。 4.3 PID串级控制系统设计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。m2m1e1c1扰动f1(t)e2设定值Rc2扰动f2(t)主调节器副调节器执行器副对象主对象测量与 变送器2测量与 变送器1图4.3.1串级控制系统框图(1) 被控参数的选择应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量，又易于测量的参数。在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败,且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，包括直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计等。(2) 控制参数的选择从双容水箱系统来看，影响液位有两个量，一是通过上水箱流入系统的流量，二是经下水箱流出系统的流量。调节这两个流量都可以改变液位的高低。但当电动调节阀突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水，导致水箱中水过多溢出，造成浪费或事故。所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。(3) 主副回路设计为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力。主副回路时间常数之比应在3到10之间，以使副回路既能反应灵敏，又能显著改善过程特性。下水箱容量滞后与上水箱相比较大，而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题，所以选择主对象为下水箱，副对象为上水箱，。 (4) 控制器的选择根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律。为了实现液位串级控制，使用双闭环结构，主调节器选择比例积分微分控制规律(PID)，对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率(P)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对于系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系统。五设备使用说明5.1系统主要组成 “THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈反馈控制，比值控制，解耦控制等多种控制形式。本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。5.2操作前准备实验前，要对被控对象及其控制系统所涉及的仪器仪表有清楚的认识。先将储水箱中贮足水量，电动调节阀可以通过阀F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8流至下水箱。变频器磁力泵支路可以通过阀F2-1、变频器控制的磁力泵、阀F2-5流至下水箱。两个支路的流量传感器分别为FT1与FT2。AI智能调节仪1设置参考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0; 调节仪2：Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;电动调节阀使用：电动阀上电后切不可用手来旋转黑色手轮，断开控制信号后，阀位有保持功能，也不可旋转手轮，只有在断开AC220V后，才可使用手动，在一般情况下无须手动。5.3控制面板接线说明图形部分（强电）图形部分（弱电）图5-1 接线说明图强电部分：三相电源输出u、v、w 接到380v磁力泵的输入u、v、w端；变频器输出端A、B、C接到220v磁力泵输入A、B、C端；单相的L、N并联接到调节仪1和调节仪2的L、N端；单相的L、N端接到电动调节阀电源的L、N端；单相的L、N端接到比值器电源的L、N端；弱电部分：电动阀支路流量FT1信号并联接到调节仪1的1、2输入端和比值模块电压输入1的+、-端，比值模块的电压输出+、-端对应接到调节仪2的1、2端，FT2信号+、-端对应接到调节仪2的3、2输入端；调节仪1的输出7、5端对应接到电动调节阀控制信号+、-端，调节仪2的输出7、5端对应接到变频器420mA控制信号输入+、-端，变频器STF端、SD端和RH端短接；24v电源输出+、-端接到流量计电源输入+、-端。六结果与分析6.1给定阶跃响应曲线现用控制变量法，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。保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：参数：P=0.1 I=1500 D=0.01图6-1 单