过程控制大作业2013

1 自动化仪表与过程控制课程大作业自动化仪表与过程控制课程大作业 1 15 分 如图所示为加热炉的两种控制方案 试分别画出 a b 所示两种情 况的方框图 说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点 2 15 分 如图所示为一液体储槽 需要对液位加以自动控制 为安全起见 储槽内 液体严格禁止滥出 试在下述两种情况下 分别确定调节阀的气开 气关型式及调节 器的正 反作用 1 选择流入量 Qi 为操纵变量 2 选择流出量 Q0 为操纵变量 3 以上 2 种情况分别出其系统框图 解 1 当选择流入量 Qi 为操纵变量时 为满足贮槽内液 体严格禁止溢出的工艺要求 执行器应为气开阀 由于被 控对象是 正 作用 所以 控制器应为 反 作用 2 当选择流入量 Qo 为操纵变量时 为满足贮槽内液体 2 严格禁止溢出的工艺要求 执行器应为气关阀 此时被控对象是 反 作用 所以 控制器应为 反 作用 3 20 分 用 MATLAB 仿真实现 实验测得某液位过程的矩形脉冲响应数据如下 t s 01020406080100120140160180 h cm 000 20 61 21 61 82 01 91 71 6 H 000 20 82 03 65 47 49 31112 6 t s 200220240260280300320340360380400 h cm 10 80 70 70 60 60 40 20 20 150 15 H 13 614 415 115 816 417 017 417 617 817 9518 1 矩形脉冲幅值 20 阀门开度变化 脉冲宽度 t 20s 1 将该矩形脉冲响应曲线转化为阶跃响应曲线 2 根据阶跃响应曲线确定该过程的数学模型及相关参数 如 K T 和等 并根据这些参数整定 PI 控制器的参数 用仿真结果验证之 程序 按一阶环节计算 t 0 10 20 40 60 80 100120140160180 200 220 240 260 280 300320340360380400 h 0 0 0 2 0 8 2 0 3 6 5 4 7 4 9 3 11 0 12 6 13 6 14 4 15 1 15 8 16 4 17 017 417 617 817 95 18 1 plot t h 3 grid on hold on y1 0 39 18 1 y2 0 63 18 1 plot 0 400 y1 y1 plot 0 400 y2 y2 x1 y2 ginput 1 x2 y2 ginput 1 输出结果为 x1 117 5115 y1 7 0468 x2 164 5161 y2 11 4327 波形 4 050100150200250300350400 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t2 164 5 t1 117 5 可得 t1 117 5 t2 164 5 94 2 120 ttT 5 702 21 tt 64 0 0 T 验证 当时 145 8 0 04 Tt5524 0 1 18 10 145 y 当时 158 2 05 Tt867 0 1 18 7 15 258 y 符合条件 5 90 2 0 1 18 0 u hh K ss e s e sT K W 5 70 0 0 0 194 5 90 1 s PI 整定 082 0 9 0 1 00 TKKp 5 2 21 3 0 33 3 0 2 00 0 T TT T Ti i p i T K K 可得01644 0 p K991 87 i T00019 0 i K 仿真模型 Transport Delay 90 5 94s 1 Transfer Fcn Step Scope 1 Gain PID Discrete PID Controller 当延迟为 0 时得到 不断更改和的数值 当 时 得到以下图形 p K i K0135 0 p K0000019 0 i K 6 由图形可以看出 基本实现 PI 调节 得到较为理想的波形 4 25 分 已知副被控对象的传递函数为模型为 主被控对象传函为 1 1 s sG 执行器传递函数为 主检测变送器的传递函数为 112 1 01 s sG1 sGv1 1 sGm 副检测变送器的传递函数为 干扰源为 0 4 的单位阶跃信号 1 2 sGm 1 画出串级控制系统的框图及同等条件下的单回路系统框图 2 在 Matlab 的 Simulink 下完成上面的两个系统 3 设定 PID 调节器的参数 并画出相应的单回路及串级控制系统的单位阶跃响应曲 线 串级控制系统 7 Transport Delay 1 12s 1 Transfer Fcn1 1 s 1 Transfer Fcn Step2 Step1 Step Scope 1 Gain1 1 Gain PID Discrete PID Controller1 PID Discrete PID Controller 副回路 PID 整定 1 12s 1 Transfer Fcn1 1 s 1 Transfer Fcn Step2 Step1 Step Scope1 Scope PID PID Controller1 PID PID Controller 1 Gain1 1 Gain 当副回路 PID 调节器参数设定为 Kp 0 5 Ki 5 Kd 0 0025 时 得到以下输出波形 8 调节 Kp Kp 0 1 Ki 5 Kd 0 0025 时 得到以下输出波形 基本为 4 1 衰减 Kp 0 1 Ts 3 088 0 2 1 1 s p K 11 0 3 0 s p i T K K03 0 1 0 spd TKK 调整 使 Ki 1 9 主回路 PID 整定 1 12s 1 Transfer Fcn1 1 s 1 Transfer Fcn Step2 Step1 Step Scope1 Scope PID PID Controller1 PID PID Controller 1 Gain1 1 Gain Kp 1 5 时 Ts 20 10 根据阻尼震荡整定公式 25 1 2 1 1 s p K 2 0 3 0 s p i T K K5 21 0 spd TKK 经过调整 Kp 2 Ki 0 5 Kd 0 005 得到以下波形 完成整定 单回路整定 11 1 12s 1 Transfer Fcn1 1 s 1 Transfer Fcn Step2 Step1 Step Scope PID PID Controller1 1 Gain1 Kp 2 5 时 Ts 25 8 17 08 2 2 1 1 s p K 4 0 3 0 s p i T K K536 3 1 0 spd TKK 得到以下波形 12 当 Kp 2 Ki 0 5 Kd 0 005 得到以下波形 5 25 分 已知被控对象的传递函数为 干扰通道的传递函数为 112 1 s sG 执行器传递函数为 检测变送器的传递函数为 52 1 2 ss sD 1 sGv1 1 sGm 干扰信号为 0 4 的单位阶跃信号 1 确定前馈控制器的传递函数 Gff s 画出反馈 前馈控制系统的框图 2 在 Matlab 的 Simulink 下完成上面的两个系统 3 设定 PID 调节器的参数 并画出相应的单位阶跃响应曲线 4 加入干扰后 观察两系统的阶跃响应曲线的变化 13 1 前馈控制器传递函数 52 112 2 ss s sG sD sGf 2 前馈系统 12s 1 s 2s 5 2 Transfer Fcn2 1 s 2s 5 2 Transfer Fcn1 1 12s 1 Transfer Fcn Step1 Step Scope PID PID Controller 1 Gain1 1 Gain 反馈 前馈系统 12s 1 s 2s 5 2 Transfer Fcn2 1 s 2s 5 2 Transfer Fcn1 1 12s 1 Transfer Fcn Step1 Step Scope PID PID Controller 1 Gain1 1 Gain 当 Kp 0 5 得到以下波形 Ts 33 9 24 14 阻尼震荡法 416 0 2 1 1 s p K 05 0 3 0 s p i T K K998 0 1 0 spd TKK 波形错误 经过调整 Kp 1 Ki 0 6 Kd 0 0998