《过程控制技术》课程设计-水箱液位和进水流量前馈反馈控制系统

1、设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目 ： 水箱液位和进水流量前馈反馈控制系统 学 院： 机电工程学院 学 号： 3146108087 专业（方向）年级： 14级电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 陈式鑫 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、 设计题目水箱液位和进水流量控制系统的设计与仿真2、 主要内容1、以THJ-3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

2、为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前款反馈控制系统。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。（进水流量为主要扰动）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

3、析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设计说明书要求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： 水箱液位和进水流量前馈反馈控制系统 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14级

4、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7日目录1、设计任务分析11.1背景11.2设计内容及目的22、控制系统总体方案设计32.1 水箱液位和进水流量前馈反馈控制系统对象简介32.2 控制系统的方案选择32.2.1被控参数及控制参数的选择32.2.2测量变送器的选择32.2.3执行器的选择32.2.4控制器的选择43、 被控对象数学模型的建立53.1 被控对象数学模型的建立的方法简介53.2 被控对象数学模型的建立54、在Matlab上进行模型的搭建与仿真74.1 在Matlab上进行模型的搭建74.2 控制器的参数整定84.2.1临界比例度

5、整定方法84.3 整定后的阶跃响应曲线95、结论11 6、参考文献101、设计任务分析1.1背景液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。 目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展

6、有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。 本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。而对于控制系统的选择为前馈反馈系统。一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效果

7、。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。 1.2设计内容及目的设计供水水箱的液位控制系统，要求在采用仪表控制的情况下，设计一个单回路控制系统，系统使用PID调节器。各环节选用适当的仪表和器件，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，并可以通过实验加以验证。分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点。系统在上下水流量发生变化时，能快速恢复到设定值。2、控制系统总体方案设计2.1 水箱液位和进水流量前馈反馈控制系统对象简介1、以THJ-3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

8、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前款反馈控制系统。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。（进水流量为主要扰动）2.2 控制系统的方案选择2.2.1被控参数及控制参数的选择被控参数的选择是控制系统的核心问题，被控参数选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复

9、杂、先进的控制规律也无用的，都不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控参数，是直接参数控制。2.2.2测量变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2.2.3执行器的选择1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流

10、量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25

11、；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。 2.2.4控制器的选择控制器是控制系统的核心部件，它将安装在生产现场的测量变送装置送来的测量信号与设定值进行比较产生偏差，并按预先设置好的控制规律对该偏差进行预算，产生输出型号去操纵执行器，从而实现对被控制变量的控制。选用PID控制器，其控制规律：理想比例积分微分控制规律PID的表达式： 虽然微分作用对于克服容量滞后有显著的效果，但对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上加上微分作用能提高系统的稳定性，再加入积分作用可以消除余差。所以适当调整d、IT、DT三个参数，可以使控制系统获得较高的控

12、制质量。由于，PID控制规律集中了三种控制作用的优点，既能快速进行控制，有能消除偏差，还可以根据被控制变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能，所以在实际应用中得到广泛应用。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该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。3.2 被控对象数学模型的建立F为水槽的横截面积，F=1000cm2；km为决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；R是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，R可视为常数，

13、R=0.03s/cm2；m为调节阀开度，控制水流入量iQ，由控制器LC控制；Kv为阀门静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，所以Kv为“”，即328cm/smAvK=g，可将阀门看成一个静态增益为vK的一阶惯性环节；液位变送器静态增益Km为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设液位变送器为线性仪表，则其可看成是一增益为 1mA/cmmK=的比例环节；dQ为扰动，其值可根据具体情况而定。 假设扰动dQ为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为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4.1.1未使用前馈控制模型4.1.2使用前

14、馈控制后模型4.2 控制器的参数整定临界比例度法第一步是获取系统的等幅振荡曲线，在Simulink中，在反馈连线，微分器的输出连线，积分器的输出连线全部断开，KP的值从小到大试验，每次仿真后，观察示波器的输出，直到得到等幅振荡曲线，如图所示：4.2.1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

15、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4.3.1未用前馈控制4.3.2使用前馈控制后的5、结论液位前馈-反馈控制系统，比例值（P）太大会引起系统的严重超调进而导致系统不能达到预期效果。积分值（I）的作用是使系统无偏差即消

16、除系统的残差是系统达到预期效果。积分时间要根据不同的系统来决定，对于液位控制当然是越大越好，这样效果很好，但是时间会很长，综上所述我们可以选择一个适当的比例值（P），积分值（I）和微分值（D）是系统完全满足我们的需要。PID的液位前馈-反馈控制：和PI控制一样先设定比例值（P）为0.310.0之间的一个适当值，积分值（I）越大越好，微分值（D）也是越大越好，通过不断的修改这3个值我们就能得到我们想要的曲线达到预期的效果。与PI控制不同的是这里有一个微分时间（D），它的作用是减小超调，因为如果超调量太大的话会产生不能预知的不良反应，对系统有很大的影响。所以微分时间的选择也是有要求的，通过模拟结果可以看出微分时间也应该选择比较大的数值，但它是以牺牲系统能达到稳定的时间为代价的。因此我们要根据工程的需要来确定它的数值。前馈系数对系统的影响，我们加上前馈系数是因为要让系统更快的达到稳定。我们通常使用的反馈控制对于变化幅度较大而且十分频繁的负荷扰动往往是不能满足要求的。而前馈控制却能把影响过程的主要扰动因素预先测量出来，再根据对象的平衡条件，计算出适应该扰动的调节量然后进行控制。前馈控制与反馈控制之间存在着一个根本的差别，即前馈控制是开环控制而不