基于MCGS双容水箱的液位控制系统的设计

精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题 目基于 MCGS 的双容水箱液位控制系统的设计 系 别 电气与信息工程 专 业 自动化 班 级 801 学号 学生姓名 指导老师 2012 年 06 月 2 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 目 录 摘 要 5 ABSTRACT 6 第 1 章 前言 7 1 1 课题研究意义 7 1 2 过程控制介绍 7 1 3 液位串级控制系统介绍 10 1 4 主要研究内容 10 第 2 章 被控对象的数学模型 13 2 1 建立单回路控制系统数学模型 13 2 2 阶跃响应曲线法建立双容水箱 15 第 3 章 系统控制方案的设计与仿真仿真 19 3 1 系统控制方案设计 19 3 1 1 PID 控制系统 19 3 1 2 系统控制方案设计 23 3 2 控制系统仿真 28 3 2 1 软件介绍 28 3 2 2 软件仿真 29 第 4 章 组态软件的系统设计与结果分析 33 4 1 MCGS 组态软件介绍 33 4 2 MCGS 软件工程组态 34 4 3 计算机过程控制系统调试运行 42 第 5 章 结 论 45 致 谢 46 参考文献 47 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 4 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 摘摘 要要 本论文的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 关键词 液位 模型 PID 控制 串级控制系统 仪表过程控制系统 计算机过程控制系统 Abstract 6 AbstractAbstract The purpose of this thesis is to design the liquid level s concatenation control system of the double capacity water tank This design makes full use of the automatic indicator technique the computer technique the communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tank s liquid First I carry out the analysis of the controlled objects model and use the experimental method to calculate the transfer function of the model Next I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system Afterwards I design and set up the indicator process control system realize PID control of the liquid level with intelligence indicator Finally I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module MCGS soft and digital PID controller accomplish control system experiment and analyze the outcome Keywords Keywords Liquid level Model PID control Cascade control system Indicator process control system Computer process control system 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 8 第第 1 1 章章 前言前言 1 11 1 课题研究意义课题研究意义 人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题 例如饮料 食 品加工 居民生活用水的供应 溶液过滤 污水处理 化工生产等多种行业的 生产加工过程 通常要使用蓄液池 蓄液池中的液位需要维持合适的高度 太 满容易溢出造成浪费 过少则无法满足需求 因此 需要设计合适的控制器自 动调整蓄液池的进出流量 使得蓄液池内液位保持正常水平 以保证产品的质 量和生产效益 这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问 题 因此液位是工业控制过程中一个重要的参数 特别是在动态的状态下 采 用适合的方法对液位进行检测 控制 能收到很好的生产效果 通过进行了多 次的实验得出了一些相关的数据 水箱液位控制系统的设计应用非常广泛 可 以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现 由于液位 检测应用领域的不同 性能指标和技术要求也有差异 但适用有效的测量成为 共同的发展趋势 随着电子技术及计算机技术的发展 液位检测的自动控制成 为其今后的发展趋势 控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面 操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数 这样能有效地减 少工人的疲劳和失误 提高生产过程的实时性 安全性 随着计算机控制技术 应用的普及 可靠性的提高及价格的下降 液位检测的微机控制必将得到更加 广泛的应用 本文简要介绍了全中文工控组态软件 MCGS 并以 THSA 2 型高 级过程控制系统实验装置为例 阐述了该系统硬件组成 控制方法 功能以及 采用 MCGS 开发的人机接口可视化界面 HMI 讲述了该系统开发的基本过程 以及工控机怎么通过 RS 485 通讯协议与装置进行通讯 实践证明 系统具有 界面友好 易于操作 运行可靠 便于升级扩充等特点 1 21 2 过程控制介绍过程控制介绍 以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的 自动控制系统 这里 过程 是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相 互作用和转换过程 表征过程的主要参量有温度 压力 流量 液位 成分 浓度等 通过对过程参量的控制 可使生产过程中产品的产量增加 质量提高 和能耗减少 一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式 这是过程控制的 主要方式 1 1 工业过程控制的发展概况 工业过程控制的发展概况 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 20 世纪 40 年代开始形成的控制理论被成为 20 世纪上半叶三大伟绩之一 在人类社会的各个反面有着 8 深远的影响 与其他任何学科一样 控制 理论源于社会 实践和科学实践 自动化技术的前驱可以追溯到我国 古代 如 指南车的出现 至于工业上的应用 一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点 有人把直到 20 世纪 30 年代末这段时期的控制理论 成为第一代控制理论 第一代控制理论分析的主要问题 是稳定性 主要的数学方法是微分方程解析 方法 这时 候的系统 包括过程控制系统 是简单控制系统 仪表 是基地式 大尺寸的 满足当时的需要 到第二次时间 大战前后 控制理论有了很大发展 Nyquist 1932 和 Bode 1945 频率法分析技术及稳定判据 Evens 根轨 迹分 析方法的建立 使经典控制理论发展到了成熟的阶 段 这是第二代控制理论 从 20 世纪 50 年代开始 随着工业的发展 控制需求的提高 除了简单控 制系统以 外 各种复杂控制系统也发展起来了 而且取得了显著 的功效 20 世纪 60 年代 现代控制理论迅猛发展 它 以状态空间方法为基础 以极 小值原理和动态规划等最 优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用 Kalman 滤波器的线性二次型系统 LOG 设计宣告了时域方法的 完成 这是第三代控 制理论 从 20 世纪 70 年代开始 为了解决大规模复杂系统的优化与控制问 题 现代控制 理论和优化与控制相结合 逐步发发展成了大系统理论 过程控制是随着控制理论的发展而发展的 从系统机构来看 过程控制已 经经历了四个阶段 基地式控制 阶段 初级阶段 单元组合仪表自动化阶 段 计算机 控制的初级阶段 综合自动化阶段 当前自动控制系统发展的一些主要特点是 生产装置实施先进控制成为发 展主流 过程优化受到普遍关注 传统的 DCS 正在走向国际统一标准的开放式 系统 综合自动化系统 CPIS 发展方向 综合自动化系统 就是包括生产计 划和调度 操作 优化 先进控制和基层等内容的递阶控制系统 亦称管理控 制一体化系统 简称管控一体化系统 这类自动 化是靠计算机的组成特征 过程系统指明了它的工作对象 正好与计算机集成制造系统 CIMS 相应 有 人也 称之为过程工业的 CIMS 可以说 综合自动化是当代 工业自动化的主要 潮流 它以整体优化为目标 以计算 机为主要技术工具 以生产过程的管理 和控制的自动化 为主要内容 将各个自动化 孤岛 综合集成为一个整 体的 系统 2 2 过程计算机控制系统 过程计算机控制系统 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 10 现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展 生产过程也随之日趋复 杂 而对生产质量 经济效益的要求 对生产的安全 可靠性要求以及对生态 环境保护的要求却越来越高 不仅如此 生产的安全性和可靠性 生产企业的 经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标 因此继续采用常规的调节 仪表 模拟式与数字式 已经不能满足对现代化过程工业的控制要求 由于计 算机具有运算速度快 精度高 存储量大 编程灵活以及具有很强的通信能力 等特点 目前以微处理器 单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器 过程计算机设备 正逐步取代模拟调节器 在过程控制中得到十分广泛的作用 在控制系统中引入计算机 可以充分利用计算机的运算 逻辑判断和记忆 等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律 在系统中 由于计算机只能处 理数字信号 因而给定值和反馈量要先经过 A D 转换器将其转换为数字量 才 能输入计算机 当计算机接受了给定值和反馈量后 依照偏差值 按某种控制 规律 PID 进行运算 计算结果再经 D A 转换器 将数字信号转换成模拟信号 输出到执行机构 从而完成对系统的控制作用 过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件 除了被控对象 检测与执行 装置外 1 过程计算机系统的硬件部分 1 由中央处理器 时钟电路 内存储器构成的计算机主机是组成计算机 控制系统的核心部分 进行数据采集 数据处理 逻辑判断 控制量计算 越 限报警等 通过接口电路向系统发出各种控制命令 指挥系统安全可靠的协调 工作 2 包括各种控制开关 数字键 功能键 指示灯 声讯器和数字显示器 等的控制台是人机对话的联系纽带 操作人员可以通过操作台向计算机输入和 修改控制参数 发出操作命令 计算机向操作人员显示系统运行状态 发出报 警信号 3 通用外围设备包括打印机 记录仪 图形显示器 闪存等 它们用来 显示 存储 打印 记录各种数据 4 I O 接口和 I O 通道是计算机主机与外部连接的桥梁 I O 通道有模 拟量通道和数字量通道 模拟量 I O 通道将有传感变送器得到的工业对象的生 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 产过程参数 标准电信号 变换成二进制代码传送给计算机 同时将计算机输 出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号 实现对生产过程的控制 2 过程计算机系统的软件部分 1 系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供 用来管理计算机 本身资源 方便用户使用计算机 2 应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序 如各种数 据采集 滤波程序 控制量计算程序 生产过程监控程序 应用软件的优劣将 影响到控制系统的功能 精度和效率 1 31 3 液位串级控制系统介绍液位串级控制系统介绍 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 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 1 41 4 主要研究内容主要研究内容 主要以 THSA 1 型综合过程控制实验系统为研究对象包括了液位 流量 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 12 图 1 1 实验系统总貌图 该实验平台是个过程控制综合实验系统 系统由实验控制对象 实验控制 平台和上位监控 PC 机三部组成 对象参数包括了液位 流量 压力 温度等热 工参数 可设置纯滞后环节 控制设备配置了智能仪表与 PLC 了两种形式 可 以实现系统参数辨识 单回路控制 串级控制 前馈控制 前馈 反馈控制 滞 后控制 比值控制 解耦控制等多种控制 本实验装置对象主要由水箱 锅炉和盘管三大部分组成 供水系统有两路 一 路由三相磁力驱动泵 380 恒压供水 电动调节阀 直流电磁阀 涡流流量计及 手动调节阀组成 另一路由变频器 三相磁力驱动泵 220 变频调速 涡流流 量计及手动调节阀组成 被控对象主要包括 水箱 模拟锅炉 盘管 管道及阀门 检测装置主要包括 压力传感器 变送器 温度传感器 流量传感器 变送器 执行机构主要包括 电动调节阀 水泵 电磁阀 三相电加热管 THSA 1 型综合过程控制实验系统控制台 主要包括控制屏组件 智能仪 表控制组件 远程数据采集控制组件 DCS 分布式控制组件 PLC 控制组件等几 部分组成 具体相关内容 1 对于组态软件的当前研究现状和发展趋势做出分析 并分析了目 前市场 上组态软件 特别是 MCGS 组态软件的基本工作原理和功能特点 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 2 对于课题涉及到的控制系统做简要介绍 分析关于双容水箱系统 的基本 内容 并针对设计要用的软 硬件进行了选型 3 针对设计中用到的硬件设备以及其特点做了简单的介绍 4 主要针对双容水箱对象 利用 MCGS 监控组态软件 设计组态监 控界面 完成显示控制流程 实时曲线 结构框图 历史曲线 报表打印 报警等功能 并编写 PID 控制策略 5 对目前研究工作进行总结并对今后的研究方向进行展望 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 14 第第 2 2 章章 被控对象的数学模型被控对象的数学模型 2 12 1 建立单回路控制系统数学模型建立单回路控制系统数学模型 所谓单容指只有一个贮蓄容器 自衡是指对象在扰动作用下 其平衡位置 被破坏后 不需要操作人员或仪表等干预 依靠其自身重新恢复平衡的过程 图 2 1 所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图 阀门 F1 1 F1 2 和 F1 8 全开 设下水箱流入量为 Q1 改变电动调节阀 V1的开度可以改变 Q1的大小 下水箱的流出量为 Q2 改变出水阀 F1 11 的开度可以改变 Q2 液位 h 的变化反 映了 Q1与 Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程 若将 Q1作为被控过程的输 入变量 h 为其输出变量 则该被控过程的数学模型就是 h 与 Q1之间的数学表 达式 根据动态物料平衡关系有 Q1 Q2 A 2 1 1 dt dh 将式 2 1 表示为增量形式 Q1 Q2 A 2 1 2 dt hd 式中 Q1 Q2 h 分别为偏 离某一平衡状态的增量 A 水箱截面积 在平衡时 Q1 Q2 0 dt dh 当 Q1发生变化时 液位 h 随之变化 水箱出 图 2 1 单容自衡水箱特性测试 系统口处的静压也随之变化 Q2也发生变化 a 结构图 b 方图由流 体力学可知 流体在紊流情况下 液位 h 与流量之间为非线性关系 但为了简 化起见 经线性化处理后 可近似认为 Q2与 h 成正比关系 而与阀 F1 11 的阻 力 R 成反比 即 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 Q2 或 R 2 1 3 R h 2 Q h 式中 R 阀 F1 11 的阻力 称为液阻 将式 2 2 式 2 3 经拉氏变换并消去中间变量 Q2 即可得到单容水箱的 数学模型为 W0 s 2 1 4 1sQ sH 1RCs R 1s T K 式中 T 为水箱的时间常数 T RC K 为放大系数 K R C 为水箱的容量系数 若令 Q1 s 作阶跃扰动 即 Q1 s x0 常数 则式 2 1 4 可改写为 s x0 H s K T TK 1 s s x0 s x0 T K 1 s x0 对上式取拉氏反变换得 h t Kx0 1 e t T 2 1 5 当 t 时 h h 0 Kx0 因而有 K 2 1 6 0 x 0hh 阶跃输入 输出稳态值 当 t T 时 则有 h T Kx0 1 e 1 0 632Kx0 0 632h 2 1 7 式 2 1 5 表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数 如图 2 2 a 所示 该曲线上升到稳态值的 63 所对应的时间 就是水箱的时间常 数 T 也可由坐标原点对响应曲线作切线 OA 切线与稳态值交点 A 所对应的时 间就是该时间常数 T 由响应曲线求得 K 和 T 后 就能求得单容水箱的传递函 数 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 16 图 2 2 单容水箱的阶跃响应曲线 如果对象具有滞后特性时 其阶跃响应曲线则为图 2 2 b 在此曲线的 拐点 D 处作一切线 它与时间轴交于 B 点 与响应稳态值的渐近线交于 A 点 图中 OB 即为对象的滞后时间 BC 为对象的时间常数 T 所得的传递函数为 H S 2 1 8 Ts Ke s 1 2 22 2 阶跃响应曲线法建立双容阶跃响应曲线法建立双容水箱水箱 在本设计中将通过实验建模的方法 分别测定被控对象上水箱和下水箱在 输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数 通过磁力驱动泵供水 手动控制电动调节阀的开度大小 改变上水箱 下水 箱液位的给定量 从而对被控对象施加阶跃输入信号 记录阶跃响应曲线 在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀 对被控对象施加阶 跃信号 1 通过智能调节仪表改变调节阀开度 增减水箱的流入水量大小 从而 改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入 2 通过在 MCGS 监控软件组建人机对话窗口 改变调节阀开度 控制水箱 进水量的大小 从而改变水箱液位 实现对被控对象的阶跃信号输入 控制进水量 供水 施加阶跃输入信号 阶跃响应输出 电动磁力泵电动调节阀中水箱 下水箱 图 2 2 水箱模型测定原理图 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 图 2 2 双容水箱对象特性测试系统 a 结构图 b 方框图 由图 2 2 所示 被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成 故称其为双 容对象 自衡是指对象在扰动作用下 其平衡位置被破坏后 不需要操作人员 或仪表等干预 依靠其自身重新恢复平衡的过程 根据单容水箱特性测试的原 理 可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积 即双容水箱的数 学模型可用一个二阶惯性环节来描述 G s G1 s G2 s 2 2 1 1sT 1sT K 1sT k 1sT k 212 2 1 1 式中 K k1k2 为双容水箱的放大系数 T1 T2分别为两个水箱的时间常数 本实验中被测量为下水箱的液位 当中水箱输入量有一阶跃增量变化时 两水箱的液位变化曲线如图 2 10 所示 由图 2 10 可见 上水箱液位的响应曲 线为一单调上升的指数函数 图 2 10 a 而下水箱液位的响应曲线则呈 S 形曲线 图 2 10 b 即下水箱的液位响应滞后了 它滞后的时间与阀 F1 10 和 F1 11 的开度大小密切相关 图 2 10 双容水箱液位的阶跃响应曲线 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 18 a 中水箱液位 b 下水箱液位 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 2 11 所示的 阶跃响应曲线上求取 1 h2 t t t1 0 4 h2 时曲线上的点 B 和对应的时间 t1 2 h2 t t t2 0 8 h2 时曲线上的点 C 和对应的时间 t2 21 11 12 8 0 4 0 thh thh hhh 2 2 3 2 2 3 2 2 4 图 2 11 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式 2 2 5 100 50 x K 2 干扰智能仪表输出值的阶跃 液位变化量 阶跃输入量 输入稳态值 O h 2 2 6 2 16 tt TT 21 21 2 2 7 55 0 74 1 T T TT 2 1 2 21 21 t t 0 32 t1 t2 0 46 由上述两式中解出 T1和 T2 于是得到如式 2 9 所示的传递函数 在改变相应的阀门开度后 对象可能出现滞后特性 这时可由 S 形曲线的 拐点 P 处作一切线 它与时间轴的交点为 A OA 对应的时间即为对象响应的滞 后时间 于是得到双容滞后 二阶滞后 对象的传递函数为 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 G S 2 2 8 1 1 21 STST K S e 3 实验数据 表 2 1 双容水箱特性测试数据 开始时间 t 第一次 水位 h1 t1 第二次 水位 h2 t2 开度变化 范围 115 21 311 615 26 219 315 32 0140 50 216 39 362 116 44 3111 716 53 0640 50 39 16 221 59 21 027 69 29 0240 50 410 52 271 810 57 129 511 06 4240 50 514 51 025 314 56 1811 315 06 1840 45 615 56 371 416 01 5712 916 12 2735 45 716 43 021 716 48 221316 58 4240 50 817 57 306 718 03 1013 218 14 3045 50 99 20 513 79 25 2115 79 34 0940 50 1010 31 511 910 36 3613 411 44 2140 50 1111 37 022 511 42 1211 611 52 2240 50 1214 32 472 314 37 5712 314 48 1740 50 1315 30 012 615 35 3113 115 46 1130 40 149 06 491 89 14 0916 29 30 1940 50 1510 28 551 910 36 2516 410 50 0540 50 参数整定 34 2 K 1 96Ts 2 417Ts 106 12 2 34 1 1 961 4171 SS s K Gee TST SSS 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 20 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 第第 3 3 章章 系统控制方案设计与仿真系统控制方案设计与仿真 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 3 13 1 系统控制方案设计系统控制方案设计 3 1 13 1 1 PIDPID 控制控制系统系统 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 r t 比例 P 积分 I 微分 D 被控对象 图 3 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 tytrte PID 控制规律为 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 22 1 0 dt tde Tdte Ti teKptU t 或以传递函数形式表示 1 1 Tds Tis kp sE sU sG 式中 KP 比例系数 TI 积分时间常数 TD 微分时间常数 PIDPID 控制器各控制规律的作用如下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 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载23欢迎下载 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 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 一 经验法 若将控制系统按照液位 流量 温度和压力等参数来分类 则属于同一类 别的系统 其对象往往比较接近 所以无论是控制器形式还是所整定的参数均 可相互参考 表 3 1 为经验法整定参数的参考数据 在此基础上 对调节器的 参数作进一步修正 若需加微分作用 微分时间常数按 TD TI计算 3 1 4 1 表 3 1 经验法整定参数 参 数 系 统 TI min TD min 温 度20 603 100 5 3 流 量40 1000 1 1 压 力30 700 4 3 液 位20 80 二 临界比例度法 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 24 图 3 4 具有周期 TS的等幅振荡 这种整定方法是在闭环情况下进行的 设 TI TD 0 使调节器工作在纯 比例情况下 将比例度由大逐渐变小 使系统的输出响应呈现等幅振荡 如图 3 4 所示 根据临界比例度 k和振荡周期 TS 按表 3 2 所列的经验算式 求 取调节器的参考参数值 这种整定方法是以得到 4 1 衰减为目标 表 3 2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数 调节器名称 TI S TD S P 2 k PI 2 2 kTS 1 2 PID 1 6 k0 5TS0 125TS 临界比例度法的优点是应用简单方便 但此法有一定限制 首先要产生允 许受控变量能承受等幅振荡的波动 其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具 有纯滞后的一阶以上环节 否则在比例控制下 系统是不会出现等幅振荡的 在求取等幅振荡曲线时 应特别注意控制阀出现开 关的极端状态 三 衰减曲线法 阻尼振荡法 图 3 5 4 1 衰减曲线法图形 在闭环系统中 先把调节器设置为纯比例作用 然后把比例度由大逐渐减 小 加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程 直至出现图 3 5 所示的 4 1 衰减过 程为止 这时的比例度称为 4 1 衰减比例度 用 S表示之 相邻两波峰间的 距离称为 4 1 衰减周期 TS 根据 S和 TS 运用表 3 3 所示的经验公式 就可 计算出调节器预整定的参数值 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载25欢迎下载 表 3 3 衰减曲线法计算公式 调节器参数 调节器名称 TI min TD min P S PI 1 2 S0 5TS PID 0 8 S0 3TS0 1 TS 四 动态特性参数法 所谓动态特性参数法 就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似 计算的方法 即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态 特性参数 K T 等 利用表 3 4 所示的经验公式 就可计算出对应于衰 减率为 4 1 时调节器的相关参数 如果被控对象是一阶惯性环节 或具有很小 滞后的一阶惯性环节 若用临界比例度法或阻尼振荡法 4 1 衰减 就有难度 此时应采用动态特性参数法进行整定 表 3 4 经验计算公式 调节器参数 调节器名称 TITD P 100 T K PI 1 1 100 T K 3 3 PID 0 85 100 T K 2 0 5 3 1 23 1 2 系统控制方案设计系统控制方案设计 一 串级控制系统的概述 图 5 1 是串级控制系统的方框图 该系统有主 副两个控制回路 主 副 调节器相串联工作 其中主调节器有自己独立的给定值 R 它的输出 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 C1 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 26 图 5 1 串级控制系统方框图 R 主参数的给定值 C1 被控的主参数 C2 副参数 f1 t 作用在主对象上的扰动 f2 t 作用在副对象上的扰动 二 串级控制系统的特点 串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍 在 此将有关结论再简单归纳一下 1 改善了过程的动态特性 2 能及时克服进入副回路的各种二次扰动 提高了系统抗扰动能力 3 提高了系统的鲁棒性 4 具有一定的自适应能力 三 主 副调节器控制规律选择的 在串级控制系统中 主 副调节器所起的作用是不同的 主调节器起定值 控制作用 它的控制任务是使主参数等于给定值 无余差 故一般宜采用 PI 或 PID 调节器 由于副回路是一个随动系统 它的输出要求能快速 准确地复 现主调节器输出信号的变化规律 对副参数的动态性能和余差无特殊的要求 因而副调节器可采用 P 或 PI 调节器 四 主 副调节器正 反作用方式的选择 正如单回路控制系统设计中所述 要使一个过程控制系统能正常工作 系 统必须采用负反馈 对于串级控制系统来说 主 副调节器的正 反作用方式 的选择原则是使整个系统构成负反馈系统 即其主通道各环节放大系数极性乘 积必须为正值 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载27欢迎下载 各环节的放大系数极性是这样规定的 当测量值增加 调节器的输出也 增加 则调节器的放大系数 Kc为负 即正作用调节器 反之 Kc为正 即反 作用调节器 本装置所用电动调节阀的放大系数 Kv恒为正 当过程的输入增 大时 即调节器开大 其输出也增大 则过程的放大系数 K0为正 反之 K0为负 五 串级控制系统的整定方法 在工程实践中 串级控制系统常用的整定方法有以下三种 一 逐步逼近法 所谓逐步逼近法 就是在主回路断开的情况下 按照单回路的整定方法求 取副调节器的整定参数 然后将副调节器的参数设置在所求的数值上 使主回 路闭合 按单回路整定方法求取主调节器的整定参数 而后 将主调节器参数 设在所求得的数值上 再进行整定 求取第二次副调节器的整定参数值 然后 再整定主调节器 依此类推 逐步逼近 直至满足质量指标要求为止 二 两步整定法 两步整定法就是第一步整定副调节器参数 第二步整定主调节器参数 整定的具体步骤为 1 在工况稳定 主回路闭合 主 副调节器都在纯比例作用条件下 主调 节器的比例度置于 100 然后用单回路控制系统的衰减 如 4 1 曲线法来整 定副回路 记下相应的比例度 2S和振荡周期 T2S 2 将副调节器的比例度置于所求得的 2S值上 且把副回路作为主回路中 的一个环节 用同样方法整定主回路 求取主回路的比例度 1S和振荡周期 T1S 3 根据求取的 1S T1S和 2S T2S值 按单回路系统衰减曲线法整定公 式计算主 副调节器的比例度 积分时间 TI和微分时间 Td的数值 4 按 先副后主 先比例后积分最后微分 的整定程序 设置主 副调 节器的参数 再观察过渡过程曲线 必要时进行适当调整 直到过程的动态品 质达到满意为止 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 28 三 一步整定法 由于两步整定法要寻求两个 4 1 的衰减过程 这是一件很花时间的事 因 而对两步整定法做了简化 提出了一步整定法 所谓一步整定法 就是根据经 验先确定副调节器的参数 然后将副回路作为主回路的一个环节 按单回路反 馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数 具体的整定步骤为 1 在工况稳定 系统为纯比例作用的情况下 根据 K02 2 0 5 这一关系 式 通过副过程放大系数 K02 求取副调节器的比例放大系数 2或按经验选取 并将其设置在副调节器上 2 按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数 3 改变给定值 观察被控制量的响应曲线 根据主调节器放大系数 K1 和 副调节器放大系数 K2的匹配原理 适当调整调节器的参数 使主参数品质指标 最佳 4 如果出现较大的振荡现象 只要加大主调节器的比例度 或增大积分 时间常数 TI 即可得到改善 六 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 0 75 0 9 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 5 范围所需 的时间 七 方案设计 精品文档 29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载29欢迎下载 在单回路 PID 控制系统的基础上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 图 3 2 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 m2m1e1c1 扰动 f1 t e2 设定值 R c2 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 西安交通大学城市学院本科生毕业设计 论文 30 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 3 23 2 控制系统仿真控制系统仿真 3 2 13 2 1 软件介绍软件介绍 MATLAB 软件是由美国 MathWorks 公司开发的 是目前国际上最流行 应用 最广泛的科学与工程计算软件 它广泛应用于自动控制 数学运算 信号分析 计算机技术 图形图象处理 语音处理 汽车工业 生物医学工程和航天工业 等各行各业 也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具 MATLAB 最早发行于 1984 年 经过 10 余年的不断改进 现今已推出基于 Windows 2000 xp 的 MATLAB 7 0 版本 新的版本集中了日常数学处理中的各 种功能 包括高效的数值计算 矩阵运算 信号处理和图形生成等功能 在 MATLAB 环境下 用户可以集成地进行程序设计 数值计算 图形绘制 输入输 出 文件管理等各项操作 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境 该 系统的基本数据结构是复数矩阵 在生成矩阵对象时 不要求作明确的维数说 明 使得工程应用变得更加快捷和便利 MATLAB 系统由五个主要部分组成 精品文档 31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载31欢迎下载 1 MATALB 语言体系 MATLAB 是高层次的矩阵 数组语言 具有条件控制 函数调用 数据结构 输入输出 面向对象等程序语言特性 利用它既可以进 行小规模编程 完成算法设计和算法实验的基本任务 也可以进行大规模编程 开发复杂的应用程序 2 MATLAB 工作环境 这是对 MATLAB 提供给用户使用的管理功能的总 称 包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法 以及开发 调试 管理 M 文件的各种工具 3 图形图像系统 这是 MATLAB 图形系统的基础 包括完成 2D 和 3D 数据图 示 图像处理 动画生成 图形显示等功能的高层 MATLAB 命令 也包括用户对 图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令 以及开发 GUI 应用程序的各 种工具 4 MATLAB 数学函数库 这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称 包括 各种初等函数的算法 也包括矩阵运算 矩阵分析等高层次数学算法 5 MATLAB 应用程序接口 API 这是 MATLAB 为用户提供的一个函数库 使 得用户能够在 MATLAB 环境中使用 c 程序或