过程控制技术课程设计-单容水箱液位定值控制系统设计与仿真

1、设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：单容水箱液位定值控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 2014级电气（3）班 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目录目录21、设计任务分析31.1背景31.2设计内容及目的32、控制系统总体方案设计42.1 单容液位定值控制系统对象简介42.2 控制系统的方案选择52.2.1被控参数及控制参数的选择52.2.2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

2、的方法简介63.2 液位对象数学模型的建立64、在Matlab上进行模型的搭建与仿真84.1 在Matlab上进行模型的搭建84.2 控制器的参数整定84.2.1临界比例度整定方法94.2.2 Z/N整定方法114.3 整定后的阶跃响应曲线135、结论151、设计任务分析1.1背景随着工业的发展,液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。论文以单容水箱液位为研究对象提出了一种智能控制算法模糊PID控制算法。实验结果表明,采用模糊PID控制器后,控制系统的响应速度加快,超调量减小,过渡过程时间大大缩短,振荡次数少,具有较强的适应性和良好的稳定性。1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：单容

3、水箱液位定值控制系统设计与仿真。1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。3、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。4、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。2、控制系统总体方案设计2.1 单容液位定值控制系统对象简介1、单容水箱液位控制系统图2-1、单容水箱液位控制系统的方块图图2-1为单容水箱液位控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要

4、求，故它在过程控制中得到广泛地应用。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。 图2-2单容液位控制系统结构图系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定值无偏差存在。一般言之，具有比例（P）调节器的系统是一个有差系统

5、，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图2-3中的曲线、所示。 图2-3、P、PI和PID调节的阶跃响应曲线2.2 控制系统的方案选择控制方案的确定主要包括系统被控参数的选择、测量信息的获取及变松、控制参数的选择、调节规律的选取、调节阀的选取和调节器政

6、、反作用等内容。 在工程实践中，控制方案的确定是一件涉及多方面因素的复杂工作。他既要考虑到生产工艺过程控制的实际需要，又要满足技术指标的要求，同时还要顾及客观环境以及经济条件的约束。一个好的控制方案的确定，一方面要依赖于有关理论分析和计算，另一方面还要借鉴许多实际工程经验。2.2.1被控参数及控制参数的选择此题目采用直接参数测取，而且十分容易测量出直观方便。控制参数的选择一般性原则：1） 选择结果应使控制通道的静态增益K0尽可能大，时间常数T0选择适当。2） 控制通道的纯滞后时间t0应尽可能小，t0和T0的比值一般应小于0.33） 干扰通道的静态增益Kf应尽可能小；时间常数Tf应尽可能大4）

7、多个一阶惯性环节串联而成时，应尽量设法使几个时间常数中的最大与最小的比值尽可能大。被控参数是单容的水箱液位，控制参数管道的进水量大小2.2.2测量变送器的选择在控制系统中，被控参数的测量及信号变送问题非常重要，尤其是当测量信号被用作反馈信号时，如果该信号不能准确而又及时地反映被控参数的变化，调节器就很难发挥其应有的调节作用，从而也就难以达到预期的控制效果。1） 应尽可能地做到对测量仪表的正确安装，这是因为安装不当会引起不必要的测量误差，降低仪表的测量精度。2） 对测量信号应进行滤波和线性化处理。3） 对纯滞后要尽可能进行补偿。4） 对时间常数Tm的影响要尽可能消除。选用DDZ-III型流量压差

8、压力变送器。2.2.3执行器的选择执行器由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。在过程控制系统中，他接受调节器输出的控制信号，并转换成直线位移和角位移来改变调节阀的流通面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过参数的自动控制。 选用气动执行器，选用气开形式保证不会因为故障失去信号造成水箱的水溢出。选用双座阀大口径。直线流量特性的阀门。2.2.4控制器的选择当防水流量大液位变低正作用使得阀门增大，反之减小阀门开度。控制器选用PID控制反作用调节。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建模的方法:机理演绎建模、实验建模、混合建模。也称为黑箱、白箱、灰箱。

9、解析法-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。不足：需要有足够和可靠的验前知识，否则，推导的结果就可能出现失真。优点：在过程控制系统没有建立之前就先推导出数学模型，对于系统事先设计和方案论证十分有利。实验辨识法-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。灰箱建模：1）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实验辨识法获得其数学模型。 2）先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各个参数的大小。所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是

10、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。3.2 液位对象数学模型的建立图3-1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 (3-1)将式(2-1)表示为增量形式Q1-Q2=A (

11、3-2)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；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出 图3-1 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）方框图。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Q2= 或 R= (3-3) 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）= (3-4) 式中T为水箱的时间

12、常数，TRC；K为放大系数，KR；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(3-4)可改写为H（s）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (3-5) 当t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (3-6) 当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (3-7) 式（3-5）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

13、应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图3-2 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)= 4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建图4-1单容水箱液位定值控制仿真模型4.2 控制器的参数整定PID调试一般原则 在输出不振荡时，增大比例增益P。 在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 一般步骤 a.确定比例增益P

14、确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%70%。比例增益P调试完成。 b.确定积分时间常数Ti 比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积

15、分时间常数Ti调试完成。 c.确定积分时间常数Td 积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。 d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。4.2.1临界比例度整定方法临界比例度法整定控制器参数控制器类型比例度积分时间Ti微分时间P12.6051/00PI5.729511.6620PID7.414771.75图4-1 P调节等幅振荡图4-2 P调节器作用图4-3 PI调节器波形图4-4 PID调节器波形图4-5 PID调节器微调节波形图4-6 PI与PID调节器波形比较可以发现pid的整定结果比较好能够快速且稳定进入设定

16、值。图4-7 PID调节且加入扰动可以看出此系统的PID抗干扰能力强4.2.2 Z/N整定方法根据s曲线求得延时时间L=3 放大系数K=0.67 时间常数T=18控制器类型比例度积分时间Ti微分时间tPT/(K*L)=9.1829PI0.9T/(K*L)=8.2646L/0.3=9.83333PID1.2T/(K*L)=11.01952.2L=6.490.5L=1.475图4-8 S型曲线求参数图4-9 Z/N法P调节器波形图4-10 Z/N法PI调节器波形图4-10 Z/N法PI与PID调节器波形图4-11 Z/N法PID调节器加入扰动后波形4.3 整定后的阶跃响应曲线两种方法得到的PID波

17、形图4-12 用临界比例度法PID的波形图4-13 用Z/N法整定出PID的波形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。所谓Z/N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）。两种方法相比较临界比例度较好。5、结论实验主要通过调节PID值来使水箱的水位达到设定值。KP为比例控制环节，调节KP值可以调节水位的变化速度，但如果KP值过大，会使控制曲线产生振荡。TI作用是消除稳定值和设定值之间的差。TI越小，系统的静态误差消除