王建雄运控课设说明说

1、课程设计任务书 2015 年 秋 季学期学 生 姓 名王建雄学 号12220218专 业 方 向自动化班 级2012级2班题 目 名 称过程控制基础综合训练一. 设计内容、设计任务及要求：1. 单回路控制系统控制器参数的整定发酵生产过程中，要求对发酵罐温度进行严格控制。1）设计单回路控制系统；2）若单回路控制系统对象的传递函数为，分别采用临界比例度法和衰减曲线法完成PID控制器参数的整定；3）给出系统阶跃响应曲线，分析过程动态特性。2. 串级控制系统的设计稀硝酸生产过程中，氨氧化炉是将氨气与空气中的氧气在高温、催化剂条件下进行反应，反应极为迅速，且是一个强烈的放热反应。工艺要求氧化率在97%以

2、上，但转化率无法测量，通常以氧化炉反应温度作为指标进行控制。1）分析采用氧化炉温度为主变量，氨空比（氨气流量与空气流量的比值）为副变量的串级控制系统可行性；2）若副对象传递函数为：主对象传递函数为：，系统温度给定210。完成串级控制系统的主副调节器的设计及参数整定。3. 自选设计在比值控制系统、Smith预估时滞控制系统、前馈-反馈控制系统以及解耦控制系统中任选一种系统进行相应的控制方案设计并完成控制器参数整定。二. 设计报告及书写内容要求课程设计任务完成后，每位同学必须独立撰写一份课程设计报告（上交纸质打印版和电子版）。注意：不得抄袭他人报告，或给他人抄袭。课程设计报告的内容应包括以下几个部

3、分：1标题，姓名，班级，学号2目录3摘要4课程设计任务5课程设计内容以“1. 单回路控制系统控制器参数的整定”举例1）单回路控制系统定义及设计原则2）单回路控制系统的设计3）PID控制原理及PID参数整定概述；4）基于临界比例度法的PID控制器参数整定算法（要求较详细）；5）基于衰减曲线法的PID控制器参数整定算法（要求较详细）；6）利用Simulink建立仿真模型（须有较为详细的建模过程说明）；7）详细描述参数整定过程；8）调试分析过程及结果描述。列出主要问题的出错现象、出错原因、解决方法及效果等。6 总结。包括课程设计过程中的学习体会与收获等内容。三. 设计进度： 2015.12.1420

4、15.12.15：查找资料、进行相关知识准备，熟悉掌握各种设计方法，确定设计方案。2015.12.162015.12.22：根据设计任务及要求，进行详细设计。2015.12.232015.12.25：撰写课程设计报告，答辩及提交。 指导教师签字：第 25 页 共 25 页摘要比例（Proportion）、积分(Intergral)、和微分(Differential)控制(以下简称PID控制)，是控制系统中应用最广泛的一种控制规律。实际运行经验及理论分析充分证明，这种控制规律在相当多的工业对象中，都能得到满意的控制效果。它是从事自动控制和电器传动领域的工程技术人员在模拟控制系统中最常使用的的一种

5、方法。在工业控制中，目前应用最多的控制方法仍然是PID控制。但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。一旦工况改变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变，这就意味着需要适时地整定控制器的参数。但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。因此研究PID参数整定技术具有十分重大的工程实践意义。本次课程设计主要针对单回路控制系统控制器参数的整定、串级控制系统的设计以及比值控制系统的设计。关键词：比例；积分；微分；控制系统；整定目录第1章 单回路控制系统控制器参数的整定41.1单回路控制系统定义及设计原则41.2单回路控制系统的设计61.3 PID控制原理及PID参数整定概述71.4基于

6、临界比例度法的PID控制器参数整定算法81.5基于衰减曲线法的PID控制器参数整定算法111.6 单回路控制系统响应曲线13第2章 串级控制系统的设计152.1串级控制系统的特点和原理152.2串级控制系统的设计172.3串级控制系统的整定17第3章 单闭环比值控制系统的设计及整定203.1单闭环比值控制系统的设计203.2单闭环比值控制系统的整定21总结23参考文献24第1章 单回路控制系统控制器参数的整定1.1单回路控制系统定义及设计原则(1) 单回路控制系统定义单回路控制器一种以微处理器为计算、控制核心，配以相应软件，在外观及使用上类似常规模拟控制器的数字式控制仪表，又称单回路数字控制器

7、。单回路控制器一般可接受多个输入信号，但只输出一个模拟量信号，构成单回路直接数字控制。单回路控制器一般由微处理器、过程输入输出通道、正面板、侧面板、供电电源、数字通信系统等硬件部分和监控系统、基本算式编程系统等软件部分组成。它可以由用户编制程序，组成各种调节规律，所以又称为“可编程控制器”。单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。在所有的反馈控制系统中它是最简单最基本的一种，因此它又被称为简单控制系统。单回路控制系统有4个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器、控制阀。(2) 单回路控制系统设计原则一、过程控制的特点 与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：&#

8、160; 1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器、调节器和调节阀）两部分组成。 2、被控对象的设备是已知的，对象的型式很多，它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的，但一般具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。  3、控制方案的多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统；有模拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。这是其它自动控制系统所不能比拟的。 4、控制过程属慢过程，多半属参量控制。即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。 5、过程控制系统的品

9、质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。2、 单回路控制系统原理 单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般生产过程的控制要求，所以应用十分广泛。单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容。如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。 1、 选择控制参数的一般原则为选择控制通道的静态放大系数K0要适

10、当大一些，时间常数T0应适当小一些，纯滞后时间0则越小越好。选择扰动通道的静态放大系数Kf应尽可能小，时间常数Tf应大些，扰动引入系统的位置离被控参数越远，即越靠近调节阀，控制质量越好。当控制通道由几个一阶惯性环节组成时，为了提高系统的性能，应尽量拉开各个时间常数。应注意工艺上的合理性。2、控制规律的选择 调节器的控制规律有比例（P）、积分（I）、微分（D）这三种基本规律及其各种组合。比例调节（P）：依据偏差的大小来动作，其输出与输入偏差的大小成正比。比例调节及时、有力、但有余差。积分调节（Ti）：依据偏差是否存在来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才

11、会停止。积分的作用是消除余差，但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。微分调节（Td）：依据偏差变化速度来动作，它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其作用是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它可以克服调节对象的惯性滞后、容量滞后，但不能克服调节对象的纯滞后。3、 调节阀特性的选择 调节阀是过程控制系统中的一个重要组成环节。调节阀的选择主要是流量特性的选择、流通能力的选择、结构形式的选择和开关形式的选择。应根据对象特性、负荷变化情况和生产工艺的要求出发，来确定所需要的调节阀。4、调节器正、反作用方式的选择调节器正、反作用方式的选择同被控对象的特性

12、以及调节阀的气开、气关形式有关。被控对象的特性按其作用方向也分为正、反两种。当调节介质增加（或减少）时，被控参数亦增加（或减少），此时称被控对象为正作用；反之，称被控对象为反作用。调节阀按其作用方向也有气开、气关两种类型。选择调节器正、反作用的次序为：先根据生产工艺安全原则确定调节阀的开、关形式；然后按照被控对象的特性，决定其正、反作用；最后按组成该系统的三个环节的静态放大系数相乘必须为一个正号的原则，决定调节器正、反作用。1.2单回路控制系统的设计 设计一个发酵罐温度单回路控制系统，若发酵罐温度单回路控制系统的传递函数为确定控制方案 ，在保证物料量、进料浓度等其他参数一定的条件下，

13、发酵罐内温度作为被控变量，冷却剂流量为操纵变量，组建一单回路控制系统，控制系统示意图如图1.1所示。 图1.1 发酵罐温度控制系统示意图 发酵罐温度控制系统方框图如图1.2所示：图1.2 发酵罐温度控制系统方框图1.3 PID控制原理及PID参数整定概述1、PID控制原理PID控制的原理和特点在工程实际中，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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统

14、控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。2、 PID参数整定  PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是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很多，概括起来有两大类：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。这种方法所得到的计算

15、数据未必可以直接用，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，直接在控制系统的试验中进行，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、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，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。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：（1） 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2） 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的

16、比例放大系数和临界振荡周期；（3） 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。1.4基于临界比例度法的PID控制器参数整定算法 扩充临界比例度法是以模拟PID控制器中使用的临界比例度为基础的一种数字PID控制器参数整定方法，它适用于具有自平衡性的被控对象，不需要被控对象的数学模型。 已知单回路控制系统对象的传递函数， 在阶跃干扰作用下，出现既不发散也不衰减的等幅震荡过程，此过程成为等幅振荡过程，通过程序可得如下图1.3所示。此时调节器的比例度为临界比例度Km，被调参数的工作周期为临界周期Tm。程序如下：k=25000;z=;p=0,-10,-100;Go=zpk(z,p,k);G=t

17、f(Go);for Km=0:0.1:100Gc=Km;sys0=feedback(Gc*G,1);p=roots(sys0.den1);pr=real(p);prm=max(pr);pro=find(prm>=-0.001);n=length(pro);if n>=1breakend;endstep(sys0,0:0.001:10);KmKm =4.4 通过如上程序可得临界比力度Km=4.4；单回路控制系统等幅振荡曲线如图1.3所示：图1.3 单回路控制系统等幅振荡曲线（1） 由波形图可得临界周期Tm的值为：Tm=0.505-0.305=0.2s（2） 整定Kp、Ti 

18、、Td，并分析结果 通过求得的Km和Tm，由临界比例度法整定参数计算表1.1可求得调节器的整定参数。表1.1 临界比例度法整定参数计算表控制规律调节器参数P2Km00PI2.2Km0.85Tm0PID1.7Km0.5Tm0.125Tm得： =7.48 Ti =0.1000 Td =0.0250 这种PID参数整定方法在一定程度上避免了在试凑参数时的盲目性，有很强的针对性。因此，采用这种方法可以比较快速而有效的找到最理想的PID参数，是一种行之有效的整定方法。1.5基于衰减曲线法的PID控制器参数整定算法1、衰减曲线法 衰减曲线法是使系统产生衰减振荡，根据衰减振荡参数来确定控制器参数。工程上认为

19、，衰减比为4：1时，系统的动态过程较适宜。因此，一般都采用4：1衰减曲线来进行整定。2、基于4：1衰减曲线法的PID控制器参数整定步骤 （1）将PID控制器变成比例控制器（此时Ki、Kd都为0，只调节Kp）（2）通过调节Kp，观察曲线的衰减情况。（3）逐渐改变比例度，直到衰减比为 4：1，此时的比例度为Km ，衰减周期为Tm。3、参数整定 单回路控制系统Simulink仿真图如图1.4所示 通过4：1衰减曲线法的PID控制器参数进行整定。图1.4 单回路控制系统Simulink仿真图 通过对比例系数Kp的调节，当系统PID调节时的仿真曲线的衰减比为4：1

20、时停止调节，此时比例系数Kp = 1.112 ，则比例度=0.899，PID调节的仿真曲线如图1.5所示：图1.5 单回路控制系统PID调节后的仿真曲线经过PID调节后的仿真曲线衰减周期Tm=1.606-1.218=0.388。通过求得的Km和Tm，由衰减曲线法整定参数计算表1.2可求得调节器的整定参数。表1.2 衰减曲线法整定参数计算表控制规律调节器参数P2Km00PI1.2Km0.5Tm0PID0.8Km0.3Tm0.1Tm得： =0.719 Ti =0.1164 Td =0.389 基于4：1衰减曲线法的PID控制器参数整定，整定的实质:是通过选择控制器参数，使其特性和过程特性相匹配，以

21、改善系统的动态和静态指标，实现最佳的控制效果。整定的目的是目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器）。PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取决于控制器的参数设置。1.6 单回路控制系统响应曲线 通过如下程序可得单回路控制系统响应曲线如图1.6所示，由曲线可知系统的动态性能指标。程序如下：clearnum=25;den=0.001,0.11,1,25;sys=tf(num,den);step(sys);title('单回路控制系统单位阶跃响应曲线')图1.6 单回路控制系统单位阶跃响

22、应曲线由单回路控制系统单位阶跃响应曲线可知系统动态性能参数：tr=0.021s，tp=0.0601s，ts=0.231s。第2章 串级控制系统的设计2.1串级控制系统的特点和原理（1）串级控制系统的特点串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。（2） 串级控制系统的原理 系统中的两个调节器相互串联，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入

23、。这两个调节器分别叫作主调节器和副调节器，即主调节器的输出进入副调节器，作为副调节器的给定值。串级控制系统中有两个反馈回路，并且一个回路嵌套在另一个回路 之中，处于里面的回路称为内回路（副回路），处于外面的回路称为外回路（主回路）。串级控制系统中有两个测量反馈信号，称为主参数和副参数，分别作为主、副调节器的反馈输入信号。串级系统的原理方框图如图2.1所示。主参数（主变量）：串级控制系统中起主导作用的被控参数称为主参数。副参数（副变量）：串级系统中能提前反映主参数变化趋势的中间参数，称为副参数。主调节器（主控制器）：输入为主参数的测量反馈信号与主参数的给定值信号的偏差，其输出作为另一个

24、调节器给定值的那个调节器称为主调节器。副调节器（副控制器）：其给定值由主调节器的输出决定，输入为主调节器的输出与副参数的 测量变送信号的偏差信号，输出调节信号给执行器的那个调节器称为副调节器。    主回路（外回路）：串级系统中，断开副调节器的测量反馈通道后的闭合回路称为主回路或外回路。副回路（内回路）：串级控制系统中，由副调节器、执行器、调节阀们、被控对象1和副参数的测量变送器组成的回路称为副回路。图2.1 串级系统的原理方框图2.2串级控制系统的设计 稀硝酸生产过程中，氨氧化炉是将氨气与空气中的氧气在高温、催化剂条件下进行反应，反应极为迅速

25、，且是一个强烈的放热反应。工艺要求氧化率在97%以上，但转化率无法测量，通常以氧化炉反应温度作为指标进行控制。1）分析采用氧化炉温度为主变量，氨空比（氨气流量与空气流量的比值）为副变量的串级控制系统可行性；2）若副对象传递函数为：主对象传递函数为：，系统温度给定210。设计骤为：首先确定控制过程，其次根据控制过程设计系统的Simulink仿真图，最后通过仿真图与衰减曲线法整定参数计算表对系统进行整定。2.3串级控制系统的整定对串级控制系统的主副调节器的设计及参数整定。绘制串级控制系统的Simulink仿真图如图2.2所示：图2.2 串级控制系统的Simulink仿真图通过对比例系数Kp的调节，

26、当系统PID调节时的仿真曲线的衰减比为4：1时停止调节，此时比例系数 Kp1 = 10.475 , Kp2=0.6 ，则比例度=0.095，=1.67，PID调节的仿真曲线如图2.2所示：图2.2 串行控制系统PID调节后的仿真曲线 经过PID调节后的仿真曲线衰减周期Tm=60-23=37。通过求得的Km和Tm，由衰减曲线法整定参数计算表2.1可求得调节器的整定参数。表2.1 衰减曲线法整定参数计算表控制规律调节器参数P2Km00PI1.2Km0.5Tm0PID0.8Km0.3Tm0.1Tm得： 1 = 0.076 , 2=1.333 Ti1 =11.100 Td1 =3.700基于4：1衰减

27、曲线法的PID控制器参数整定，整定的实质:是通过选择控制器参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，实现最佳的控制效果。整定的目的是目前基本控制器一般均为PID控制器（比例、积分、微分控制器）。PID控制器整定，调节P、I、D参数，使得控制系统的控制性能指标达到满意。一旦控制控制系统安装到位，控制系统的品质就取决于控制器的参数设置。第3章 单闭环比值控制系统的设计及整定在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种

28、物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。比值控制系统可分为:开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。本次课程设主要针对单闭环比值控制系统展开，完成控制器的参数整定。3.1单闭环比值控制系统的设计 设计一个涡轮流量计闭环流量比值控制系统,该系统要求从流量随主流量的变化而变化，其中两流量仪表的信号比值系数为4，假设该系统的传递函数为：，组建一单闭环比值控制系统，控制系统示意图如图3.1所示。FT1022#调节阀FV101FT101比值器调节器Q2Q11#图3.1比值控制系统原理示意图 涡轮流量计闭环流量比值控制系统的方框图

29、如图3.2所示：控制器控制阀图3.2 单闭环比值控制系统的方框图3.2单闭环比值控制系统的整定 整定步骤： 1）根据单闭环比例控制系统的框图，建立如3.3图所示的Simulink仿真框图，其参数分别设置为Ki,Kd和KC。其参数输出幅值向量和采样时间分别设置6 2 8 4 2和50。2） 对单回路控制系统进行参数整定，整定后可从控制器PID的参数Kc2=1.3，主控制器PID的参数KC1=0.3,Ki1=0.2,Kd1=0。图3.3 单闭环比值控制系统的imulink仿真框图图3.3 单闭环比值控制系统的imulink仿真曲线根据设计要求，系统采用单闭环比值控制。在控制两种物料的比值系统中，起主导作用的物料流量称为主动量，跟随主动量而变化的物料流量称为从动量。将从动量用一个闭环包括进去，而主动量开环。从动量是一个随动控制系统。总结PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是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