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积分
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jl042
水箱
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【JL042】双容水箱液位串级控制系统设计,jl042,水箱,液位串级,控制系统,设计
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英 文 翻 译 系 别 自动化 专 业 自动化 班 级 191001 学生姓名 卢嘉鑫 学 号 103599 指导教师 赵静 ID it it to it in in in in or a by is an of a in In 5% of ID I ID is to as is at to at ID be to be of It is an in s in to a on ID ID on to in is of on an or an of a ID be in in a in of is of ID is an of It be as a of A of ID is a of In of ID be in of in in is it is to is in or no be is by is by 000. of is as as ID on we a ID is of to up by in of of is to to is a to ID on on It is to a of to in on to of in A of is An in of ID is . as as as of of ID be in in in ID is of of ID ID to ID in is to to ID A A of of ID is do in a do In of of in is a at be be by we a of we ID on A of to of in is it is be by in of of as ID is 1988). is a ID et (1992). on ID we 1983) 1990), of of of a of of 989, 1991). to 0% of of ID 1993), of a 000 7% I 0% of to 30%) 30%). 0% of a of of 1993), it is 0% of in 0% of by 0% of of in of a is as It is by u. is is by y. is by a of is or It is by e is e = y. .1 in a of is to to in of is by as is in a so is in to of is in to be if It of is be in is to to of to is is to a of of An of is a of a in of .5 on to to be to on of on so It is to on is .9 to a of he is a u y. a a y as a of u by a of It be to of to to to It be to so to be in be in It be by an is to a is it on is to of An is to a is a is in is to of to a it is to if it is if do to be as it be to In a be a of by is a a of as be to of of by by of is in A It is to is a of be to be to of an a is if u yi ui j2 it + + -A is if A of is to an be in of to a be to a we In a we to as we be to we it is to it is in it is in be be in To do a of it is to be of to if a r 本文摘自 绪论 制器有几个重要的功能 : 它能提供反馈 ; 它有能力通过积分作用消除稳态补偿 ; 它通过微分作用可以有预见性。 制器满足多种控制问题 ,尤其是当过程动态是良性的，对性能的要求是适度的。 制器被广泛的运用于各个行业。控制器有许多不同的形式。 每一个独立的系统由一个或几个循环在一个内箱中产量多达每年十几万 。 制是分布式控制系统的一个重要组成部分。该控制器还嵌入在许多专用的控制系统。在过程控制中， 95以上的控制回路是 型， 大多数 回路实际上是 制。 制的许多有用的功能还没有得到广泛的传播，因为他们被认为是商业机密。典型的例子是技术模式交换机和抗饱和积分。 制往往是结合逻辑，顺序的机器，选择简单的功能块来构建用于能源生产，运输和制造复杂的自动化系统。 许多复杂的控制策略 ,如模型预测控制 ,也有组织的层级结构。 制被 用于底层基础 ;多变量控制器给定值到控制器在较低的水平。 制器因此可以说是控制工程的 “ 面包和黄油 ” 。 它在每一个控制工程师的工具箱中占据重要的成分。 制器经历了许多变化 ,通过电子技术从气动微处理器管、晶体管、集成电路。微处理器对 制器有颠覆性的影响。今天几乎所有的 制器是基于微处理器制成的。这给了提供额外功能的机会 ,如自动调优 ,增益调整，并不断适应附加功能。在这些领域的术语是不完善的。这本书的目的 , 自动调谐意味着控制器参数来自操作者或外部信号需求自动调整，这意味着控制器的参数被连续 地更新。实际上 几乎所有新的 制器都有自动调优功能。调整和适应可以以许多不同的方式完成。简单的控制器实际上已经成为一个试验平台用于控制许多新的想法。 现场总线的出现是另一个重要的发展。这将极大地影响未来的分布式控制系统的体系结构。 制器 的一个重要成分现场总线的概念。它也可以被标准化为现场总线发展的结果。 大部分仪器和过程工程师熟悉 制。 有一个完善的安装，调试，并使用控制器的方法。尽管这有大量的潜力提高 制。对于这方面的证据可以在任何行业的控制室中找到。 多个控制器 被置于 手动模式， 并且这些控制器是在自动模式 之间 ， 微分作用频繁 关闭 的原因很简单 ，这是很难调整 正确地 。 性能不佳的关键原因 是阀门和传感器的设备问题， 和不良 调整 方法。 阀门问题包括错误的大小 ,磁滞和粘滞作用。 测量问题包括：不良或无抗混叠滤波器，过滤过多的 “智能” 传感器， 噪音过大 和校准不当。 实质性的改进强调了激励改进的要求 , 改进质量是通过 000 等标准。 知识和理解是改善控制回路性能的关键因素。 需要特定的流程知识以及 制知识。 根据我们的经验，我们认为， 制的新时代正在来临。这本书将 评估其发展，评估其潜力，并尝试通 过分享我们的经验，在自动化控制这个令人兴奋的和有益的 领域加快发展。这本书的目标是提供对 制的技术背景。这些知识可以直接导致更好的产品质量。 理解任何控制问题的关键是过程动力学。 第二章提出了不同的方法用于 根据步骤测试方法与基于频率响应技术一起讨论。 这可以更好地理解 试图提供不同的方法之间的关系。 并给出 不同的方法来获得 基于 实验得出的简单的传递函数的模型参数。 二维自由参数介绍：标准化的死区时间和增益率是有用的刻画系统在过程控制中常见的动态属性。 也讨论进行参数估计的方法。给出了扰动模型 的简要说明。 在第 3 章深入介绍了 制器。这包括原理以及许多 实施细节 ，如微分增益限制，抗饱和， 改善 的 设置点 响应等。 制器可以 以不同的方式 构造。常用的形式是串联和并联。 之间的差异和控制器参数中使用不同的结构进行详细论述。 这些 在不同结构 中使用的控制器参数之间的差异 进行详细论述。使用数字计算机实现 制器。 采样 的基本概念，选择采样间隔，和抗混叠滤波器彻底的处理。也对 制 器 的局限性进行了描述。 典型情况下， 有价值的 的系统都是更复杂的长死区时间和振荡系统控制器。简要讨论了扩展的 制器处理 这类系统。 第 4 章介绍了 制器的设计方法。对产品规格进行了详细讨论。特别注意要使用该方法所需的信息。 多年来已经有许多不同的方法来优化 制器。对 它们的性能将会详细讨论 。合理的设计方法应考虑负载扰动，模型的不确定性，测量噪声，并设定点的响应。很多 制器的传统整定规则的一个缺点是，这种规则不考虑 平衡发展。 考虑所有这些标准的新优化技术也提出了。 笔者坚信，没有任何东西可以取代 理解和洞察 。 鉴于大量用于工业控制器需要进行简单的调整方法。这些规则将至少比 “ 厂家调试” 好多了，他们总是可以通过流程建模和 控制设计改进。在第五章我们提出新的优化规则的集合 ,显著改善了以前使用的规则。 在第六章中，我们讨论了一些技术调整和 制器的自动调节。这包括基于参数模型双容水箱液位串级控制系统设计 1、建立系统数学模型 2、设计双容水箱液位单回路 反馈控制系统和 串级控制系统 3、先 对未加校正 的 单 回路系统 进行 仿真，然后 加入控制 ， 进行仿真以及参数 整定 ，然后进行串级系统仿真及参数整定， 并 与之前 单 回路 系统进行 动态性能指标比较。 4、 含有噪声的串级控制 仿真 ， 并 与 之前 含有 噪声 的 单 回路反馈控制系统进行比较。 控制变量：进水流量 主被控参数：下水箱液位 副被控参数：上水箱液位； 主控制器： 副控制器： P 执行器：控制阀； 上水箱尺寸为： h=10 m3/s;下水箱尺寸为： h=102=1m3/s，上水箱的流入量为 s，流出量为 s，下水箱流出量 上 水箱传递函数 下水箱传递函数 111() 2()( ) 5 1s s22221( ) ( ) 1()( ) ( ) 2 0 1pH s H s H s s 单回路控制系统框图 主控制 副 控制 控制阀 上水箱 下水箱 串级控制系统框图 单回路仿真框图 单回路 无校正 仿真曲线 单回路控制仿真框图 单回路控制最终仿真 曲线 参数： 5 串级控制系统仿真 框图 串级有校正仿真曲线 参数 7， I=5， D=55， 5 动态性能指标对比 td tr tp 回路 1s s 0s 1 0 串级 0s 2s 1s 0s 0 含 噪声 单回路 含有 噪声单回路仿真曲线 参数 7， I=5， D=55 含噪声串级控制框图 含噪声串级控制最终仿真曲线 参数 7， I=5， D=55， 5 含 噪声的动态性能指标对比 td tr tp 回路 s 8s 20 级 0s 1s s 0 感谢各位老师的观看 学生：卢嘉鑫 指导教师：赵静 本科毕业设计论文 题 目 双容水箱液位串级控制系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 卢嘉鑫 指导教师 赵静 毕业时间 2014 年 6 月 毕业 任务书 一、题目 双容水箱液位串级控制系统设计 二、指导思想和目的要求 通过毕业设计使学生对所学自动化专业知识和理论加深 理解，掌握自动控制原理以及过程控制系统和仿真的基本方法。 要求毕业设计中： 1、建立系统数学模型 2、设计双容水箱液位单回路反馈控制系统，采用 制并进行仿真以及参数整定。 3、设计双容水箱液位串级控制系统。先对未加校正的串级控制进行仿真，然后在串级控制加入控制规律，进行仿真以及参数整定，并与之前未校正的串级控制以及单回路反馈控制系统进行比较。 三、主要技术指标 1、超调量 5% 2、稳定时间 100S 3、稳态误差 =0 四、进度和要求 1、 1集查阅资料； 2、 4成总体方案设计和建模 ； 3、 7成系统分析和控制规律设计； 4、 9成仿真验证及修改； 5、 12成毕业设计论文 . 五 、主要参考书及参考资料 设计 论文 （ 1）金以慧，过程控制 北京：清华大学出版社 ， 2）刘永信，陈志梅，现代控制理论 北京：北京大学出版社， 3）薛定宇，陈阳泉，系统仿真技术与应用北京：清华大学出版社， 4）胡寿松 主编自动控制原理北京科学出版社 5）陈阳泉 主编过程控制与 用 北京电子工业出版社 生 卢嘉鑫 指导教师 赵静 系主任 史 仪 凯 摘 要 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。 因为单回路控制系统无法克服液位控制系统中的一些问题，例如：大时延、非线性、容量滞后等。因此本设计为了克服上述问题设计串级控制，应对单回 路控制系统无法解决的问题，并且对比单回路控制系统与串级控制系统的差异。 这次毕业设计 是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用真技术， 主 调节器使用 节 ， 副调节器使用 P 调节，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，并采用机理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 态仿真技术对控制系统的性能进行分析。 进行参数整定以及各个参数的控制性能的比较，对得到的仿真曲线进行分析，总结参数变化对系统性能的影 响。 关键词 ： 液位 控制 ,串级控制 ,制 ,真 in is an is in In of it is to of in of in to in is to In a to is a to of to of to of on 目录 第一章 . 绪论 . 1 题的提出及研究意义 . 1 制系统研究的意义 . 1 内外研究现状和发展趋势 . 2 次设计的主要工作 . 3 第二章 . 被 控对象模型的建立 . 4 程控制系统建模方法 . 4 机理建模方法 . 4 实验法建模 . 5 箱模型分析 . 5 单容水箱数学模型的建立 . 5 双容水箱数学模型的建立 . 6 定被控参数及控制变量 . 8 第三章 . 控制系统方案的设计 . 9 位 制系统的设计 . 9 制原理 . 9 制器参数整定的方法 . 11 位串级控制系统设计 . 12 控参数的选择 . 13 制变量的选择 . 13 副回路设计 . 13 制器的选择 . 14 级控制器参数整定方法 . 14 第四章 . 控制系统仿真 . 16 件介绍 . 16 回路控制系统仿真 . 18 单回路无校正仿真 . 18 单回路 制系统仿真 . 18 单回路 制系统参数整定 . 19 数导致的性能变化 . 20 级控制系统的仿真 . 24 有噪声的控制仿真 . 26 有噪声单回路 制仿真 . 26 含有噪声的串级控制仿真 . 27 参考文献 . 31 致 谢 . 32 毕业设计小结 . 33 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 第一章 在 大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产的基本要求。但是在有些情况下，例如有些被控过程的动态特性决定了它很难控制，又例如有些工艺过程对控制质量的要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和运用新的控制系统，以进一步提高控制量。对于过程控制系统装置，双级水箱液位控制比单级水箱液位控制困难，会遇到许多的问题，滞后时间比较长，对于环境的变化多少会受一定的影响，如想要好的控制 效果就要引入新的控制系统，运用单回路控制系统来控制是不能达到控制精度和要求。串级控制系统、前馈补偿控 制、大时延预估控制等一类较为复杂的控制系统就是适应上述要求而产生的 。 从上世纪 30 年代起， 工业生产 进行着 飞速发展， 伴随着自动控制理论的愈加成熟， 自动化技术飞速的发展并取得了不俗的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。 人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也 不断提 高。 先进、实用 的 控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。 并 普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。 多容器 系统是具有纯滞后的非线性组合系统，是过程控制中的一种 典型的控制对象典控制方法和常规仪表控制这类过程时 ，常因系统的多输入多输出关系以及系统的内部关联系而使系统构成 比较 复杂，会明显地降低控制系统的调节 质量 ，在耦合严重的情况时会使各个系统均无法投入运行。水箱液位控制系统是模拟多容器流程系统的多输入多输出、大迟延、非线性、藕合系统，它的液位控制算法的研究对实际的工程应用有着非常 重要的意义 。 工业生产过程控西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 制中的被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着耦合的现象。即系统的某一个输入影响到系统的多个输出，或者系统的某一个输出受到多个系统偷入的影响。有时对该多变量系统 进行解耦获得满意的控制效果。 液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。双容水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果。以 态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠 程功能已经不能满足要求；组态软件编程语言虽然简单，但大多数是脚本语言，在处理算法方面仍然存在诸多不便。因此，提出将算法写入 序的思路，借助 快速运算功能及丰富的函数库，可以方便的实现算法编写，求解输出值通过可靠的 口反馈给组态软件，最终实现对控制对象的控制。本文正是基于上述思路，设计开发了基于组态软件和 件的液位控制实验平台。该平台简单可靠，本文在 境中编写了传统的 制算法，实现了对双容水箱液位的控制。 自动控制科学是研 究自动控制共同规律的技术科学。 20 世纪 10 年代， 获得广泛应用。 制是控制领域中最为重要的控制方式之一。随着对人工神经元网络研究的深入研究 ,研究者也开始将神经网络和 制结合 ,以期为改进和克服传统制的性能提供了新的思路。 经元网络 ,是由舒怀林教授于 1997 年提出的 ,其融入了 律和神经元网络的优点 ,在复杂系统的控制中表现出较好的性能。 一些研究文章陈述了当前工业控制的状况，如日本电子测量仪表制造协会在1989 年对过程控制系统做的调查报告。该报告表明 90以 上的控制回路是 3 结构。另外一篇有关加拿大造纸厂的统计报告表明典型的造纸厂一般有 2000 多个控制回路，其中 97以上是 制，而且仅仅有 20的控制回路工作比较满意。控制回路性能普遍差 的原因中参数整定不合适占 30，阀门问题占 30。而另外的 20的控制器性能差有多种原因，如传感器的问题、采样频率的选择不当以及滤波器的问题等。 给出了相似的统计结果：在已安装的过程控制器中 30是处在手动状态； 20的回路是采用厂家的整定参数，即控制器制造商预先设定的参数值； 30的控制回路由于阀门和传感器的问 题导致控制性能较差。 （ 1） 机理法建立 上下水箱液位 数学模型。 （ 2） 设计 单回路 制系统 ，对 其 进行仿真 及参数系统整定 。 （ 3） 设计双容水箱液位串级控制系统 ， 对 其 进行仿真 及参数系统整定 。 （ 4） 比较单回路控制和串级两种控制方式 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 第二章 型的建立 在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象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。 被控对象的数学模型（动态特性）是指在过程中各输入量（包括控制量 和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。 建立被控对象的数学模型，可分为机理法和实验 法两类。 机理建模方法 机理法 从机理出发，也就是从过程内在的物理和化学规律出发，建立稳态数学模型的工作，对过程工程师并不困难。最常用的是解析法和仿真方法。为获取控制用的模型，只要把自变量和待求变量作相应的调整就可以了。建立的模型称为白箱模型，具体的建立模型的方法有： 料平衡和能量平衡方程等 ; 立状态变量 x、控制变量 u 和 输出变量 y 的关系； 工作点处对方程进行增量化，获得增量方程； 工作点处进行线性化处理，简化过程特性； 解析法适用于原始方程比较简单的场合。这里又分两类，一是求输入变量作小范围变化的影响，通常采用增量化处理方法；二是求输入变量作大范围变化时的影响，这通常需要逐步求解，如采用数值方法或试差方法，则与仿真求解无甚区别了。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 仿真方法近年来发展很快。解析法只适用于比较简单的过程。对于比较复杂的情况，特别是需要考虑输入变量大范围变化的场合， 由于需要计算的数据量多，工作量大，且有重复性，也由于每次计算常常需用试差法，人们现在已熟悉和习惯了数字计算机仿真手段。典型工业过程的仿真程序已编制成各种现成的软件包。 实验法建模 实验法建模是工具工业过程中输入、输出的实测数据进行的某种数学处理后的道德数学模型的建模方法。根据给被控过程施加的激励信号和数据分析方法的不同，主要有如下方法： a) 时域方法 b) 频域方法 c) 统计相关法 （ 1） 时域法： 对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出量随时间变化的响应曲线，或施加脉冲输入测绘出输出的脉冲响应曲线 。 （ 2）测定动态特性的频域方法 ： 对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的幅值比和相位差，获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。 （ 3） 测定动态特性的统计相关法 :对被控对象施加某种随机信号或直接利用对象输入端本身存在的随机噪音进行观察和记录，可以在生产过程正常运行状态下进行，在线辨识，精度也较高。 单容水箱数学模型的建立 单容液位过程控制如下 此容器的流出阀为手动阀门，流量1容器 1的液位 图 2箱模型 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 水槽的平衡方程为 1 =此时出口物料流量 以写成 将（ 1入（ 1得 h = (2将（ 1行拉式变换 后，可得传递函数 )( )(1 (2令 ， R=K， H=Y， X，可得单容液位对象的数学模型，即传递函数为 1)( )( 实际上，水槽底面积越大，对液体的容量也越大，相同流量的改变造成的液位变化也越小。上述流程中由于只有一个水槽，且输出参数为液位，所以称为单容液位对象。 双容水箱数学模型的建立 双容液位过程如图所示 两容器的流出阀均为手动阀门，流量1的液位1容器 2的液位2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： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 Qi(s)s)=A1 s) （ 2 s)s)=A2 s) （ 2 令容器 1、容器 2相应的阀门液阻分别为1中 s)=11 )(2 s)=22 )(2 将（ 2（ 2入（ 2（ 2可得 )( )(2 )( 221122211 2 （ 2 令 1 ,2 ,可得 1)()( )( 21221 22 sQ sh i（ 2 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/ Qi=液位 2212()() ( ) 1 1h S k u s T s T s （ 2 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12m , )T T T，故总体反应要较单一的一阶环节慢的多。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 控 参数及控制变量 在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型 ，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为 级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。 在该液位串级控制系统中： 控制变量：进水流量 主被控参数：下水箱液位 副被控参数：上水箱液位； 主控制器： 副控制器： P 执行器：控制阀； 上水箱尺寸为： h=10 s/水箱尺寸为：h=10s/水箱的流入量为 s， 流出量为s，下水箱流出量 (以上数据均 来自资料 ) 控制对象特性： 111() 2() ( ) 5 1 s s（上水箱传递函数） 22221( ) ( ) 1() ( ) ( ) 2 0 1pH s H s H s s （下水箱传递函数） 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 - 第三章 统 方案 的 设计 控制方案设计是过程控制系统设计的核心，需要以被控过程模型和系统性能要求为依据，合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，选择检测、变送器和选择执行器。选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系 统在工业生产过程中发挥良好的作用。 制 系统的设计 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， 进的 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 度、流量、液位控制器，能实现 还有可实现 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，简称称 节。 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。 据给定值 r(t)与实际值 y(t)构成控制偏差： )()()( 。 y(t) + + r(t) r (t) 比例 P 积分 I 微分 D 被控对象 图 3制基本原理图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 )()(1)()(0 (3或以传递函数形式表示： )11()( )()( T d sT (3式中， 例系数 分时间 常数 分时间常数 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 增 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 (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，比西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。 根据被控过程的特性确定 分时间和微分时间的大小。 制器参数整 定的方法 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。 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。 在闭合控制系统中，把调节器的积分时间 分时间 例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度 k。根据以下经验公式计算调节器参数： 调节器参数 控制规律 D P 2 k k k 3 在闭合控制系统中，把调节器的积分时间 分时间 例度置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现 4： 1 的衰减为止。记录 此时的 4： 1 衰减比例度 k 和衰减周期 据以下经验公式计算调节器参数： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 调节器参数 控制规律 D P S 3若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。 1控制系统性能指标 (1) 静态偏差：系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。 (2) 衰减率：闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。为了保证系统足够的稳定程度，一般 衰减率在 (3) 超调量：输出响应中过渡过程开始后，被控参数第一个波峰值与稳态值之差，占稳态值的百分比，用于衡量控制系统动态过程的准确性。 (4) 调节时间：从过渡过程开始到被控参数进入稳态值 +5%范围所需的时间 级控制系统 设计 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（ 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 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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 制器 - 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 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： 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 。这次串级控制中主被控参数 是下水箱液位，副被控参数是上水箱液位。 制变量 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。所以选择上水箱流入量作为控制变量 更合理一些。 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图 3制系统框图 2 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 计的核心问题，所以选择主对象为下水箱，副对象为上水箱，。 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(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。 级 控制器参数整定方法 试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度 ,边观察系统的运行 ,边修改参数 ,直到满意为止。 一般情况下 ,增大比例系数 加快系统的响应速度 ,有利于减少静差。但过大的比 例系数会使系统有较大的超调 ,并产生振荡使稳定性变差。减小积分系数 减少积分作用 ,有利于减少超调使系统稳定 ,但系统消除静差的速度慢。增加微分系数 利于加快系统的响应 ,是超调减少 ,稳定性增加 ,但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时 ,一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势 ,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。 1) 比例部分整定： 首先将积分系数 即取消微分和积分作用 ,采用纯比例控制。将比例系数 小到大变化 ,观察系统的响应 ,直至速度快 ,且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规 定范围之内 ,且响应曲线已满足设计要求 ,那么只需用纯比例调节器即可。 2) 积分部分整定 ： 如果比例控制系统的静差达不到设计要求 ,这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数 小逐渐增加 ,积分作用就逐渐增强 ,观察输出会发现 ,系统的静差会逐渐减少直至消除。反复试验几次 ,直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大 ,应适当的降低一点比例系数 3) 微分部分整定 ： 若使用比例积分 (制器经反复调整仍达不到设计要求 ,或不稳定 ,这时应西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 - 加入微分作用 ,整定时先将微分系数 零逐渐增加 ,观察超调量和稳定性 ,同时相应地微调比例系数 分系数 步使凑 ,直到满意为止 扩充临界比例度法 ： 这种方法适用于有自平衡的被控对象 ,是模拟系统中临界比例度法的扩充。其整定步骤如下 : (1)选择一个足够短的采样周期 T。所谓足够短 ,就是采样周期小于对象的纯之后时间的 1 /10。 (2)让系统作纯比例控制 ,并逐渐缩小比例度 ( =1/系统产生临界振荡。此时的比例度和振荡周期就是临界比例度 K 和临界振荡周期 (3)选定控制度。所谓控制度 ,就是以模拟调节器为基准 ,将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相 比较 ,其比值即控制度。 串级控制系统框图如下：主 控制 选用 制，副 控制 使用 p（比例）控制。 在之后的仿真中上下水箱变送器传递函数为 1。 - 干扰 - - 1 控制 副控制 控制阀 上水箱变送器 下水箱 变送器 图 3制系统框图 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 第四章 件介绍 个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。 是由美国 视化以及交互式 程序设计 的高科技计算环境。它将 数值分析 、 矩阵计算 、科学数据可视化 以及非 线性动态系统的 建模 和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效 数 值计算 的众多科学 领域 提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式 程序设计语言 （如 C、 编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 称为三大 数学 软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 以进行 矩阵 运算、绘制 函数 和数据、实现 算法 、创建用户界面、连接其他 编程语言 的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、 信号处理 与通讯、 图像处理 、 信号检测 、 金融建模 设计与分析等 领域 。 基本数据单位是矩阵，它的 指令 表达式 与 数学 、工程中常用的形式十分相似，故用 解算问题要比用 C， 语言完成相同的事情简捷得多，并且 优点，使 学软件 。在新的版本中也加入了对 C， C+， 以
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