《过程控制技术》课程设计-水箱液位与进水流量串级控制系统与仿真

1、设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 水箱液位与进水流量串级控制系统与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级：电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年 7月 1日过程控制技术课程设计任务书全套设计加扣 30122505821、 设计题目水箱液位与进水流量串级控制系统与仿真2、 主要内容1、以THJ-2高级过程控制实验对象系统的下水箱液位作为为研究对象，进水流量为主要的扰动，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的上水箱、下水箱的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建双容

2、水箱PID控制系统，用单回路控制方案和串级控制方案方案。3、分别整定两种控制方案的控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。三、设计要求1、分析控制系统各个环节的动态特性，建立被控对象的数学模型。2、根据其数学模型，选择控制方案3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，整定调节器参数。4、根据整定的参数，得出控制效果曲线，并对结果进行比较分析，得出结论。四、设计步骤1、查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2、设计实验方案，给出实验接线图。得出对象的数学模型。3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，分析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设计说

3、明书要求1、完整的设计任务书。2、查找文献资料，阐述设计的目的和意义。3、被控对象简介，控制方案的选择（被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等），给出实验线路。5、被控对象数学模型的建立。6、在Matlab上进行模型的搭建与仿真。7、结论。8、设计体会（可选）.9、参考文献. 2017年 7月 3日至 2017 年 7月 7日（1周）指导教师 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 水箱液位与进水流量串级控制系统与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级：电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工

4、程学院电气工程系2017 年 7月7日目录目录51、设计任务分析61.1背景61.2设计内容及目的62、控制系统总体方案设计72.1 液位串级控制系统对象简介72.2 控制系统的方案选择72.1.3被控参数及控制参数的选择82.1.3测量变送器的选择82.1.3执行器的选择92.1.3控制器的选择93、被控对象数学模型的建立103.1 被控对象数学模型的建立的方法简介103.2 被控对象数学模型的建立114、在Matlab上进行模型的搭建与仿真124.1 在Matlab上进行模型的搭建124.2 控制器的参数整定124.2.1临界比例度整定方法124.3 整定后的阶跃响应曲线135、结论146

5、、设计体会 157、参考文献 151、设计任务分析1.1背景随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统1.2设计内容及目的1、 以THJ-2高级过程控制实验对象系统的下水箱液位作为为研究对 象，进水流量为主要的扰动，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的下水箱液位的传递函数以及进水流量为

6、主要的扰动的传递函数。2、 利用MATLAB的Simulink搭建水箱液位与进水流量串级控制系统。3、整定控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。（进水流量为副对象）2、控制系统总体方案设计2.1 液位串级控制系统对象简介在工业实际生产中，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

7、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。2.2 控制系统的方案选择图2.1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。2.1.3被控参数及控制参数的选择。1.被控对象: 水箱：供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动 调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频

8、器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。2.1.3测量变送器的选择压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器

9、，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成420mADC电流信号。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS

10、带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。2.1.3执行器的选择调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。 变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。 可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热

11、器加热，从而控制锅炉的温度。2.1.3控制器的选择控制器采用SIEMENS公司的S7-300 CPU，型号为315-2DP，西门子S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU313主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介本系统的主控量为上水箱的液位高度H，副控量为气动调节

12、阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除

13、了扰动的影响。3.2 被控对象数学模型的建立本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连， SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP的传送。 本实验中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带P

14、ROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，以控制执行机构阀门定位器。4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建4.2 控制器的参数整定4.

15、2.1临界比例度整定方法临界比例度法图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)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS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

16、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。4.3 整定后的阶跃响应曲线则系统受到设定值干扰之后，其稳态值变大。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。例如此控制系统中有一次干扰和二次干扰，则二次干扰就影响前面的调节阀，副调节器灯扰动点前的环节5、结论在本次实验中，我们可以得出以下结论：（1） 对比例度K进行整定时，随着比例度的增大，阶跃响应曲线的超调减小，并且曲线到达稳态的时间缩短。（2） 对积分时间I进行整定时，随着积分时间的增大，阶跃响应曲线的超调量略微减小，并且曲线振荡周期明显增长。（3） 由于液位变化迅速，延迟较短，微分时间D对于阶跃响应曲线的影响较小。6、设计体会通过这次课程设计，我们接触到了过程控制在实验系统中的应用、调试，这让我对