过程控制课程设计.doc

课程设计报告( 2008 - 2009 年度第 二 学期)名 称： 过程控制系统 题 目： 单回路参数整定 院 系： 控制科学与工程学院 班 级： 测控0603班 学 号： 1061160319 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 一周 成 绩： 日期： 2009 年 7 月 3日火电厂热工自动控制技术及应用课程设计任 务 书一、 目的与要求1 通过对单回路控制系统分析和参数整定的具体设计，使学生加深对所学课程的理解以及应用。2 培养学生分析问题、解决问题的能力。3 培养学生对火电厂控制系统参数整定的基本设计能力。4 要求学生掌握matlab语言的基本使用方法。二、 主要内容1 选定课程设计参考题目。2 对要求的参数整定系统进行设计，画出系统结构框图、原理图。3 用所设计的单回路系统参数整定方案对实际系统进行测试，并观察受控后的系统是否符合稳、准、快的调节要求。4 写出设计报告，要求文字整洁、语言通顺、制图规范、程序完整正确。三、 进度计划序号设计内容完成时间备注1对课题进行分析，查阅相关资料2009/6/182进行程序设计 2009/6/203上机调试 2009/6/224撰写设计报告 2009/6/245演示及答辩 2009/7/3四、 设计成果要求1 系统设计合理，软件编程达到设计要求。2 系统结构图和软件流程图绘制清楚规范。3 设计报告完整规范。 学生姓名： 指导教师：刘禾 2009年 7 月 3 日一、课程设计题目：给定被控对象参数，选择PID控制器比例系数KP，积分时间Ti ，微分时间Td ，使被控对象在输入出现扰动的情况下能够达到既定要求的控制曲线。二、课题分析：1、控制系统的参数整定可分为理论计算法和工程整定法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特性，通过理论计算求得控制器的动态参数设定值，这种方法比较复杂繁琐，使用不方便，因此一般仅作参考，而工程整定法则是源于理论分析，结合实验，工程实际经验等一套工程上的方法，较为简单，易掌握。2、要求：（1）通过参数整定选择合适的参数，首先要保证系统稳定，这是最基本的要求。 （2）在热工生产过程中，通常要求控制系统有一定的稳定裕度，即要求过程有一定的衰减比，一般要求4：110：1 （3）在保证稳定的前提下，要求控制过程有一定的快速性和准确性，所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差和稳态偏差尽量小，而快速性就是要求控制过程的时间尽可能短。 图（1）单回路控制系统组成原理方框图根据图（1）的原理图，我们可以将整个单回路控制系统简化为图（2）的系统方框图。 图（2）图中Gc（s）为控制器传递函数，可以用下图（3）所示的PID控制器结构图表示。上图为典型的PID控制系统结构图。在PID调节器的作用下，对误差信号分别进行比例、微分、积分组合控制，调节器的输出作为被控对象的输入控制量。PID控制算法的模拟表达式为：相应的传递函数为： 式中 Kp为比例系数 ； Ti 为积分时间常数； Td 为微分时间常数。 在传统的PID调节器中，确定KP、Ti、Td 3个参数的值，是对系统进行控制的关键，因此，在控制最主要的问题是参数的整定问题，在PID参数进行整定时，若是理论方法确定PID参数当然是最为理想的，但实际应用中，更多的是通过试凑来确定PID的参数。而利用matlab强大的仿真工具箱的功能，可以方便的解决整定的问题。三、PID控制分析。 假设被控对象参数为 3.1 P控制作用分析 。设Td=0 ，Ti= ，Kp=34 。输入信号为阶跃函数，根据结构图，进行matlab程序仿真如下：%P控制作用程序运行M文件可得到如下图形：3.2 比例积分控制作用分析 设Kp=3，讨论Ti =26 时对系统阶跃响应曲线的影响%比例积分控制作用程序运行程序后得到下图：3.3 比例积分微分控制作用分析设Kp=3，Ti=4，讨论Td=0.010.1时对系统阶跃响应曲线的影响。%比例积分微分作用程序运行程序得下结果：初步分析得到下列结论：1、 增大比例系数Kp将加快系统的响应，有利于减小静差，但是过大会使系统有较大的超调，使稳定性变坏，Kp取值过小，会使系统的动作缓慢。2、 增大积分时间常数Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但系统静差消除时间变长，若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，导致系统不稳定。3、 增大微分时间Td有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但是Td不能过大，实际系统无法达到要求（上诉设计是理想的微分模型，所以如果实际的微分模型在Td过大时会使超调量增加，调节时间变长），若Td过小，同样超调量也增加，调节时间也较长。四、ZieglerNichols整定方法。在实际的过程控制系统中，如果数据时通过阶跃响应来获得的，且多数控制系统可以由公式G（s）= 来近似表示，我们可以由(表一)中给出的经验公式来设计PID控制器，如果数据是通过频域响应获得的，先画出其对应的Nyquist曲线，可以得到系统的剪切频率Wc和极限增益KC，同样，可以有(表一)给出的经验公式获得PID控制器的参数。控制器类型由阶跃响应整定由频率响应整定KpTiTdKpTiTdPT/K*00.5KP0PI0.9T/K*3*00.45KP0.833P0PID1.2T/K*2*/20.6KP0.5P0.125P（表一）(1) 设想对被控对象（开环系统）施加一个阶跃信号，通过实验方法，测出其相应信号，如下图所示,则输出信号可由图中的形状近似确定参数K（静态放大系数），(l)（滞后时间），和Tm（时间常数），获得上述参数后就可以根据表一得出控制器的参数。图中L表示 ，Tm表示T 。举例：某个控制系统的对象参数为：G（s）= ，求取其P、PI、PID 控制的响应曲线。Matlab程序如下：K=1;T=15;tao=5;num0=1;den0=15 1;num1,den1=pade(tao,3); %生成纯延迟环节的3阶近似传递函数模型num=conv(num0,num1);den=conv(den0,den1);G=tf(num,den); %生成开环传递函数s=tf(s); %定义拉普拉斯变量因子%P控制其设计PKp=T/(K*tao);GK1=PKp*G;sys1=feedback(GK1,1,-1);step(sys1,k) %求p控制作用下系统单位阶跃响应，线形为黑色连线gtext(P)pausehold on%PI控制器设计PIKp=0.9*T/(K*tao);PITi=3*tao;Gc2=PIKp*(1+1/(PITi*s);GK2=Gc2*G;sys2=feedback(GK2,1,-1);step(sys2,b-) %求PI控制作用下系统单位阶跃响应，形为蓝色虚线gtext(PI)pausehold on%PID控制器设计PIDKp=1.2*T/(K*tao);PIDTi=2*tao;PIDTd=0.5*tao;Gc3=PIKp*(1+1/(PITi*s)+PIDTd*s);GK3=Gc3*G;sys3=feedback(GK3,1,-1);step(sys3,r-) %求PID控制作用下系统单位阶跃响应，线形为红色实线title(P , PI , PID控制单位阶跃响应)xlabel(时间)ylabel(幅值),grid,gtext(PID)得到如下图形：结论：通过图形，我们可以清楚的看出，采用PID控制可以快速、准确、稳定的对输入的阶跃信号进行控制。所以通过ZieglerNichols整定方法我们可以得到较好的控制曲线，符合课设要求。五、通过matlab中的simulink来进行系统的参数整定。利用simulink进行参数整定更加的有效，而且方便快速。首先进行PID控制器的设计。（1）通过模块的拖拽构成典型的PID控制器。如下所示 （2）然后进行封装子系统，单击simulink的library窗口中的【Edit】【Creat Subsystem】，便产生了子系统。如下图所示。（3）进行封装。（4）PID控制器子系统构成，可以对其进行操作。举例：对G(S)=对象进行参数整定。按照单回路系统方框图，我们可以再simulink中绘制出相应的闭环回路图形，如下图所示。我们通过“临界比例带法”对其进行参数整定。（1）设TI 和TD都为零，调节KP 使其产生等幅振荡。当取比例系数为10时得到等幅振荡。如下图：（2）根据图形可以得到比例带和系统的临界振荡周期T。根据(表二)可以得到相应的PID参数。控制规律TiTdP2PI2.20.85TPID1.70.5T0.125T(表二)(3)由上表可知P控制时，Kp=5，将“Kp”的值设置为5后，仿真运行双击“Scope”得到下图：根据图形我们可以清楚的看到P控制的特点：1、动作快 。2、有差控制 。（4）由（表二）可知，PI控制时，比例系数为Kp=4.545 ，积分时间常数Ti=1.7 ，运行仿真后得到如下图形：同样我们可以看到PI控制的特点，既在消除了静态误差的同时，增加了调节时间，所以是在改善静态品质的同时却恶化了动态品质，使过度过程的振荡加剧，甚至造成系统不稳定。（5）由表二可知，PID控制时，Kp=5.88 ，Ti=1 ，Td=0.25 ，运行仿真得到下图：根据上图中的数据，初步估算出衰减比为8：1 ，符合参数整定的稳定、准确、快速的要求，基本达到了工程控制需求。参考文献：MATLAB R2008控制系统动态仿真 谢仕宏编 化学工业出版社过程控制系统的matlab仿真 刘文定、王东林编著 机械工业出版社控制系统计算机辅助设计matlab语言与应用 薛定宇 清华大学出版社辅助控制系统设计与仿真 飞思科技产品研发中心 电子工业出版社火电厂热工自动控制技术及应用 刘禾、白焰、李新利 中国电力出版社 过程控制工程及仿真（基于matlab/simulink） 郭阳宽、王正林 电子工业出版社总结：通过这此课程设计,我学会了如果进行控制系统的单回路参数整定,如何设计控制器来满足要求,我还掌握了matlab软件在工程上的应用,尤其是在控制领域的应用,学会了利用matlab中的simulink软件来模拟仿真控制系统。这次课程设计不仅使我对课堂所学的知识有了更加深入的了解,而且还将书本上的知识在工程上加