《过程控制技术》课程设计-双容水箱液位串级控制系统的设计与仿真

1、设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 双容水箱液位串级控制系统的设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 2014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 7日全套设计加扣 3012250582目 录1. 设计任务分析11.1背景11.1.1过程控制概述11.1.2过程控制实验装置概述11.1.3单回路控制系统概述21.2设计内容及目的21.2.1设计内容21.2.2设计目的32. 控制系统总体方案设计32.1控制系统对象简介32.2 控制系统的方案选择42.2.1被控参数及控制参数的选择52.2.2

2、测量变送器的选择52.2.3执行器的选择52.2.4控制器的选择53. 被控对象数学模型的建立63.1被控对象数学模型的建立的方法简介63.2被控对象数学模型的建立74. 在Metlab上进行模型的搭建与仿真84.1在Metlab上进行模型的搭建84.2控制器的参数整定104.2.1临界比例度整定方法105. 结论156. 设计体会15参考文献151. 设计任务分析1.1背景1.1.1过程控制概述过程控制是用计算机对工艺过程的温度、压力、流量、成分、电压、几何尺寸等物理量和化学量进行的控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测仪表两部分组成的。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包

3、括计算机）、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制和生产自动化。工业过程自动化其目标应该是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效（高产、低耗）。 作为自动化的初级阶段能够达到的目标主要是使生产过程安全（仅限于越限报警和联锁）与平稳地进行。控制系统的计算机仿真是一门涉及理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，是以控制系统的模型为基础，采用数学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。1.1.2过程控制实验装置概述“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”是

4、由实验控制对象、实验控制台及上位监控PC机三部分组成。它是本企业根据工业自动化及其他相关专业的教学特点，并吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证而推出的一套全新的综合性实验装置。本装置结合了当今工业现场过程控制的实际，是一套集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术及现场总线技术为一体的多功能实验设备。该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制形式。本装置还可根据用户的需要设计构成AI智能仪表，DDC远程数据采集，DCS分布式控制，PLC可编程控制，FCS

5、现场总线控制等多种控制系统，它既可作为本科，专科，高职过程控制课程的实验装置，也可为教师、研究生及科研人员对复杂控制系统、先进控制系统的研究提供一个物理模拟对象和实验平台。 1.1.3单回路控制系统概述单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。单回路控制系统框图如图1-1所示。图1-11.2设计内容及目的本次课程设计的主题是：双容水箱液位串级控制系统设计与仿真1.2.1设计内容1、以THJ-3高级过程控制实验

6、对象系统的中水箱和下水箱作为为研究对象，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中水箱、下水箱的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建双容水箱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。（中水箱为副对象）设计主要包括：对水箱的特性确定，建立液位控制系统的水箱数学模型，设计出了串级控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统，通过仿真对得到的仿真曲线进行分析，最后得出

7、结论。1.2.2设计目的本文是双容水箱液位串级控制系统的设计与仿真，要求学生以现有的实验装置为基础，进行控制系统的设计，设定合适的PID参数，以达到要求的控制系统性能指标，并分析PID的三个调整参数对控制系统的影响，综合考虑抗干扰问题、控制系统的稳定性、鲁棒性、动态性能、稳态偏差等，对所设计的控制系统进行分析。2. 控制系统总体方案设计2.1控制系统对象简介“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”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（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；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220

8、V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。液位控制系统对象为水箱。水箱包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二

9、阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。水箱构成如图1-2所示。图1-2实验对象总貌图如图1-3所示。图1-3 2.2 控制系统的方案选择方案选择包括被控参数选择、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。为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经过液位测量变送器送至控制器，控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于调节阀，从而改变流量调节水位。单回路闭环系

10、统框图如1-4所示。图1-42.2.1被控参数及控制参数的选择单回路控制系统，使下水箱液位维持在某个给定值上，或在一定小范围内变化。进水调节在上水箱。实现下水箱液位的自动调节和控制。1、 被控参数选择：因为要使下水箱液位维持在给定值，所以取下水箱液位为被控参数。2、 控制参数选择：因为中水箱流量即为下水箱进水量，所以取中水箱流量为控制参数。2.2.2测量变送器的选择测量变送器选择：液位变送器2.2.3执行器的选择因为无信号或者信号中断时，必须停止水箱进水，防止液位过高产生溢出，阀门要处于全关状态，所以执行器选择气开形式。2.2.4控制器的选择1、 控制规律选择：比例控制（P）：输出与输入偏差成

11、比例关系，偏差越大，输出越大。控制及时迅速，只要有偏差产生，控制器立即产生作用，但由于比例控制是在存在偏差时起作用的 ，因此比例控制不能消除余差。积分控制（I）：输出与输入偏差对时间的积分成正比，只要输出存在，输出就不断积累，直到偏差为零，累积才会停止，因此，积分控制可以消除余差。微分控制（D）：动作迅速，具有超前调节的功能，可有效改善被控对象的时间滞后问题，但不能消除余差。综上所述，调节器选择比例积分微分控制（PID）。2、调节器作用方式选择：因为调节阀为气开形式，所以Kv0。 因为调节阀开度加大，下水箱液位增加，因为KoO。 取Km0。 又因为闭环系统为负反馈，所以KcKvKoKm0，Kc

12、0。 综上，副调节器选择反作用形式。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控制对象的动态特性是指其输入信号变化时，输出随时间变化的规律。研究对象的动态特性，实质是建立对象的数学模型，即用数学方程描述对象各变量之间的关系。建模的方式有三种，即：机理演绎法建模、试验辨识法建模、混合法建模。1、机理演绎法建模：根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。步骤：明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量。依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或动态方程。消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方

13、程。将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传递函数等。2、 试验辨识法建模：根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程辨识和参数估计得出数学模型。步骤：通过操作调节阀，使被控过程的控制输入产生一阶跃或方波变化。得到被控量随时间变化的相应曲线或输出数据。根据输入输出数据，求取过程的输入-输出间的数学关系。3、混合法建模：对被控过程中机理比较清楚的部分采用机理演绎法推导其数学模型，对机理不清楚或不确定的部分采用试验辨识法获得其数学模型。3.2被控对象数学模型的建立单容自衡水箱结构如1-5所示。图1-5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

14、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: Q1(S)-Q2(S)=ASH(S) Q2(S)=传递函数为： 图1-6传递函数框图如图1-6所示。4. 在Metlab上进行模型的搭建与仿真4.1在Metlab上进行模型的搭建打开metlab软件进行曲线的拟合操作和传递函数参数的计算。步骤：File/new/function打开编辑y=onedt(x,t)，编辑完后保存为onedt.m。在COMMANDWINDO

15、W再输入 ：修改液位的个数与时间个数相等。键入回车，即可得到有输入数据得到的曲线图。得到传递函数的三个参数K、T、。根据拟合结果得出传递函数：画出模型结构图。4.2控制器的参数整定 4.2.1临界比例度整定方法步骤:先将调节器的积分时间TI置于最大（TI=无穷大），微分时间TD置零（TD=0）,即断开回路1和回路2和回路3。比例度置为较大数值，使系统投入闭环运行。 等系统运行稳定后，对设定值施加一阶跃变化，并减小，直到系统出现等幅震荡为止，记录此时的K（临界比例度）和等幅震荡周期TK。 即K=0.585,TK=550。 根据记录的K和TK，计算调节器的、TI、TD。即：=0.585/1.7=0

16、.344 TI=1/0.5/550-0.0015=0.0021TD=0.125*550=68.75则整定出的波形如下图所示，超调后进入稳定。在系统稳定后加入一定量干扰，即回路3，观察波形的变化。则波形在加入扰动后一段时间内有波动，随后进入稳定。5. 结论通过以上曲线可以初步看出，经过参数整定后，系统的性能有了很大改善。PID调节器既能靠积分作用消除被调量的静态误差，又能靠微分环节改善动态过程的品质。调节的参数有三个，只要调节得当，就会出现非常好的效果。6. 设计体会通过本次课程设计，让我加深了对过程控制实验装置的认识，自学了MATLAB软件的基本操作，通过查找各种相关资料，再次深入学习了过程控制技术这门课的知识，把课本中的知识熟练掌握后在现实中得到了应用，把理论的知识进一步的升华，提高了动手能力和协作能力。完成这次设计不在于结果，而在于过程中收获了许多，课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高