单容水箱液位控制系统设计(共33页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上过程控制系统设计作业 单容水箱液位控制系统设计学生姓名 文强 学号 任课教师 陶珑 院、系、中心 专科部专业 生产过程自动化 提交日期 2015年 10 月 日 太 原 科 技 大 学专心-专注-专业单容水箱液位控制系统设计摘 要本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的设计方案，实现对水箱液位的控制。本论文还针对每种控制系统，在Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，并且利用仿真曲线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标IAE等。单闭环控制系统的设计包括P、I、PI和PID的设计。本文分别通过衰减频率特性法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。本论文还通过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计方案进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制可提高系统性能。关键词： PID；串级；前馈反馈；参数整定；SimulinkDesign on Water Level Control in a Tank AbstractThis thesis provides design methods of single closed-loop control system, cascade control system and feed forward  control system about the controlled object a single water tank , and it achieves the goal of controlling level. For every kind of control system, simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance of control system, such as the maximum percent overshoot, settling time, attenuation rate and IAE. The design of single closed-loop control system includes designs of P, I, PI and PID. The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All the control design methods included are compared by simulation curves and performance indexes and we finally find that cascade control and feed forward control are able to improve systems performance.Keywords: PID；Cascade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；Simulink目 录摘 要IABSTRACTII1设计要求及内容12单容水箱系统建模33单闭环控制系统设计53.1比例控制系统设计53.2积分控制系统设计73.3比例-积分控制系统设计93.4比例-积分-微分控制系统设计124串级控制控制方案设计165前馈控制方案设计186实验室水箱实验报告196.1压力单闭环实验196.2液位单闭环实验206.3上水箱液位和流量组成串级实验226.4前馈反馈控制实验247总结26参考文献27附录281 设计要求及内容图 1 单容水箱液位控制系统单容水箱液位控制系统如题Error! Reference source not found.所示。已知F=1000cm2，R=0.03s/cm2。调节阀为气关式，其静态增益，液位变送器静态增益。(1) 画出该系统的传递方框图；(2) 对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解F、R、Kv、Km的物理意义和量纲的关系。(3) 采用单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调节器，定义性能指标，对控制性能进行评价。(定义哪些性能指标进行评价？)(4) 对PID参数进行整定，工程的方法和理论的方法；(5) 设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。(6) 结合实物实验撰写实验报告。说明：1) 仿真工具采用Matlab2) 本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，但每个人都要做设计。3) 在整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。电子版命名方法为：学号+姓名.rar内分2个目录：document用于存放文档；simulation用于存放仿真文件；每次提交的时候，.2 单容水箱系统建模单容水箱系统的传递方框图如所示图 2单容水箱系统的传递方框图在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程Error! Reference source not found.(2-2)(2-1) 其中(2-3) (2-4) F为水槽的横截面积，F=1000cm2；为决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，可视为常数，R=0.03s/cm2；为调节阀开度，控制水流入量，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，可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节；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 的比例环节；为扰动，其值可根据具体情况而定。假设扰动为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为(2-5)式（2-5）减式（2-1）得(2-6)式（2-6）就是动态平衡方程式（1-1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值附近的小范围内变化，故可得以下近似(2-7)于是式（2-6）可化为(2-8)如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得(2-9)Laplace变换得：(2-10)假设液位的初始值为，代入数据得单容水箱系统的数学模型(2-11)被控对象传递函数为(2-12)假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图图 3单容水箱系统传递函数方框图3 单闭环控制系统设计3.1 比例控制系统设计图 4比例控制仿真图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，根据频率特性法Error! Reference source not found.整定控制器的参数得(3-1)则由式(3-1)解得，再由，可得到理论整定值。（2）、工程整定方法：采用衰减曲线法Error! Reference source not found.调整参数，令，得系统衰减振荡曲线Tsy1y1图 5系统衰减振荡曲线P=-200y1由系统衰减振荡曲线得由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度、积分时间和微分时间的整定值，结果如Error! Reference source not found.所示：表 1衰减曲线法参数整定计算表衰减率整定参数调节规律0.75P-0.005PI-0.0061.38PID-0.0040.8280.276（3）、性能指标：在t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图1所示。将波形数据通过“To Workspace”输出到Matlab工作区进行计算，可得时，该比例控制系统的性能指标如下：衰减率：最大动态偏差：8.0481残余偏差：-0.9018调节时间： 6s绝对误差积分IAE：3.7569结论：有差控制，对小的干扰由较好的抑制作用，能够在较短的时间内达到新的稳态值。3.2 积分控制系统设计（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，根据频率特性法整定控制器的参数得(3-2)则由式(3-2)可解得，再由，可得到（积分速度），进而可计算出积分时间理论整定值。（2）、性能指标：积分控制系统仿真框图：图 6积分控制仿真图I=-1/20对积分控制系统进行参数整定：；，得仿真曲线如下图所示。由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制，但系统振荡频率低，超调量很大（约为190cm），调节时间很长（约为5000s），因此单独使用积分控制，系统性能较差。图 7积分控制仿真图I=-1/20，Qd=0在时加入扰动，得仿真曲线：由图可知，系统能抑制阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。图 8积分控制仿真图I=-1/20，Qd=5000cm33.3 比例-积分控制系统设计图 9PI控制仿真框图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，根据频率特性法整定控制器的参数得(3-3)以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式(3-3)表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整栋参数。选择一组合适的、作为控制器的整定参数。（2）、工程整定方法：衰减曲线法如表1得，扰动，得仿真曲线如下图 10PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=0可得（3）、性能指标：扰动，图 11PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=5000cm3对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，增大比例增益，加快系统响应速度扰动，图 12PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为15s，能在较短的时间内接近稳态值扰动，图 13PI控制仿真曲线P=-1/0.003，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为9s，偏差减小，系统响应加快。对应扰动，的性能指标如下：衰减率：最大动态偏差：7.3368残余偏差：0调节时间： 9s绝对误差积分IAE：3.94983.4 比例-积分-微分控制系统设计图 14PID控制仿真框图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，根据频率特性法整定控制器的参数得 (3-4)令，则式（3-4）由三个变量，以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式(3-4)表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整定参数。选择一组合适的、作为控制器的整定参数。（2）、工程整定方法：如表1得，得仿真曲线如下图 15PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=0可得（3）、性能指标：扰动，图 16PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=5000cm3同比例积分控制，比例积分微分控制对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，减小比例带，增加微分时间，加快系统响应速度。扰动， 图 17PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为10s，能在较短的时间内接近稳态值。扰动，图 18PID控制仿真曲线P=-1/0.001，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为5s，偏差减小，系统响应加快。对应扰动，的性能指标如下：衰减率：最大动态偏差：24.7026残余偏差：0调节时间： 5s绝对误差积分IAE：2.22754 串级控制控制方案设计前面的单闭环控制系统设计，系统调节时间（回复时间）较长，最大动态偏差较大，单闭环控制效果不佳，而且未考虑对象的纯迟延时间。采用串级控制可提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的影响。下图为串级控制系统仿真框图：图 19串级控制仿真框图对主副调节器进行整定：主调节器整定参数为；主调节器整定参数为；扰动，得串级控制系统仿真如下图所示：由仿真图可知控制振荡频率低，衰减慢，系统调节时间长，最大动态偏差大，但无静差。图 20串级控制仿真曲线Qd=0在时加入扰动，仿真结果如下图所示，由图可知，系统能已知阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。图 21串级控制仿真曲线Qd=5000cm35 前馈控制方案设计采用前馈反馈控制可在输出发生变化时，提前做出修正，减小扰动对输出的影响。因此前馈反馈控制可以提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的影响。如图为前馈反馈控制系统仿真方框图：图 22前馈控制仿真框图比值分别为RATIO1=0.9，RATIO2=0.1；延迟时间；PID控制器参数分别为；扰动，在时加入；流量变送器等效为增益为1的比例环节；设定值为16cm，得图仿真曲线如附图2所示。将前馈断开，得仿真曲线如附图3所示，系统不稳定。与单闭环相比，引入前馈后，在系统输出发生变化之前，前馈控制提前对扰动做出修正，减小了扰动对输出的影响。因此，前馈控制提高了系统的稳定性，调节时间大大减小（约为2.5s），最大动态偏差减小（约为1.5cm），6 实验室水箱实验报告6.1 压力单闭环实验6.1.1 实验目的通过实验掌握压力单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。6.1.2 实验内容（1）采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数的有效性；（2）采用调节器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。调节器的参数设置如下：参数说明Sn=331-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dih=100输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流CF=2调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入Run=1自动调节，允许手动设置6.1.3 实验仪器PCT-II型过程控制系统实验台6.1.4 实验步骤压力单闭环控制系统框图：图 23压力单闭环系统控制框图（1） 连接实验导线，将阀门V7，V10打开；（2） 接通总电源，各仪表电源。将PCT-II面板上的双掷开关掷到外控端；（3） 整定参数值的计算值；（4） 将计算所得的PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止；（5） 曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理。（6） 采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理。6.1.5 实验结果本实验所用调节器为808模糊控制器（手动/自动输出），其给定值为818PID控制器（手动/自动输出）的输出。将808模糊控制器的设定值设置为某一值，再令CtrL=2，系统进入自整定状态，几秒钟后，测量值稳定在控制器的设定值上。6.2 液位单闭环实验6.2.1 实验目的通过实验掌握液位单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。6.2.2 实验内容（1）采用采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数的有效性；（2）采用调节器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。调节器的参数设置如下：参数说明DF=3回差值Sn=331-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dih=450输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流CF=2调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入Run=1自动调节，允许手动设置6.2.3 实验仪器PCT-II型过程控制系统实验台6.2.4 实验步骤液位单闭环控制系统框图：图 24液位单闭环系统控制框图（1） 连接实验导线（2） 使水泵工作在恒压供水状态（3） 接通总电源和仪表电源（4） 将阀门V2、V10、V7打开，其余阀门关闭（5） 整定参数值的计算（6） 将计算所得的PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止（7） 曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理（8） 采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理6.2.5 实验结果818PID控制器为液位单闭环的调节器，808模糊控制器为压力单闭环的调节器。液位单闭环818PID控制器的输出为压力单闭环的设定值，当其输出值发生变化时，相当于给压力单闭环一个扰动。令808的CtrL=2，在控制阀开度变化时，其测量值仍能很快地跟随其设定值。设置818PID控制器的P、I、D值，刚开始时，系统超调量较大，达到80%左右，振荡频率低，调节时间很长。为此，需修改P、I、D值，改善系统性能，减小比例带P，减小积分时间I，增大微分时间D。经过多次调整，最终系统性能达到了较好的状态。6.3 上水箱液位和流量组成串级实验6.3.1 实验目的通过实验掌握串级控制系统的基本概念；掌握串级控制系统的结构组成；掌握串级控制系统的特点；掌握串级控制主、副回路的选择；掌握串级控制系统参数整定；掌握串级控制系统参数投运方法；了解串级控制系统对进入副回路和主回路扰动的克服能力。6.3.2 实验内容（1） 设计串级控制系统的方案（2） 设计串级控制的主、副控制器（3） 串级控制系统参数整定（4） 抗干扰试验，分别将干扰加于主回路和副回路，观察并记录控制效果，并进行分析（5） 对比实验，于单回路液位控制系统的控制效果进行对比调节器的参数设置如下：主调节器参数说明副调节器参数说明DF=3回差值DF=3回差值Sn=331-5V电压输入Sn=321-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dil=0输入下限显示值Dih=450输入上限显示值Dih=100输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流Opl=4输出4-20mA电流CF=2调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入CF=8调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入Run=1自动调节，允许手动设置Run=2自动调节，禁止手动设置6.3.3 实验仪器PCT-II型过程控制系统实验台6.3.4 实验步骤串级控制系统方框图：图 25串级控制系统方框图（1） 选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量（2） 选择主被控参数、副被控参数、打开手动阀门V2、V7、V10（3） 选择主副控制器，在恒压供水条件下工作，按事先设计的实验接线图将实验导线接好（4） 实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。待系统稳定后再整定主回路液位系统，最后串在一起整定（5） 待系统稳定后，上水箱液位加个给定，观察计算机上流量和液位的曲线的变化，并保存此曲线（6） 系统稳定后，分别在主副回路加个干扰信号，然后观察计算机上历史曲线的变化6.3.5 实验结果与液位单闭环控制系统相比较，串级控制系统对流量扰动的抑制大大增强，使其对主参数的影响大大减小。因而串级系统的调节时间（回复时间）减少，最大动态偏差减少。控制性能分析：（A）由于副回路的快速作用，可迅速克服进入副回路的干扰，故选用PI作用可以进行有效的调节（B）引入副回路减小了副对象的相位滞后，从而改善了主回路的响应速度，这对克服进入主副回路的干扰都是有利的（C）串级控制系统改善了系统的鲁棒性（D）副回路可按主回路的要求对副变量进行精确的控制（E）由于该串级系统有较大的滞后，故可以采用PID作用进行有效的调节6.4 前馈反馈控制实验6.4.1 实验目的通过设计前馈反馈控制系统实现高精度的液位控制，掌握前馈反馈控制系统的结构组成，前馈量的选择，控制参数的整定等方法。6.4.2 实验内容（1） 用实验的方法测试液位和流量的动态特性（2） 确定扰动通道的传递函数、对象控制通道的传递函数（3） 用比值器实现静态前馈、前馈反馈的控制系统（4） 整定前馈反馈控制系统参数（5） 分析简单控制系统与前馈反馈控制系统控制质量调节器的参数设置如下：反馈调节器参数说明DF=3回差值Sn=331-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dih=100输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流CF=2调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入Run=1自动调节，允许手动设置6.4.3 实验仪器PCT-II型过程控制系统实验台6.4.4 实验内容前馈反馈控制系统方框图：图 26前馈反馈控制系统方框图（1） 设计控制方案（2） 计算比值系数（3） 完成恒压供水系统接线（4） 完成比值控制系统接线（5） 将阀门V2、V3、V9、V10、V7打开，其余阀门关闭（6） 接通总电源和各仪表电源（7） 调节PCT-II面板上电位器K1可改变主副流量的比值，比值的范围是0.11倍（8） 控制系统的参数整定，控制器的参数整定可按单回路或串级控制系统的整定方法进行。由于流量变化速度快，调节器不能整定出比较合理的参数，需根据曲线来人工调整（9） 系统稳定后，改变主回路流量的大小，观察副回路流量的变化（10） 观察计算机上历史曲线的变化，记录并处理历史曲线（11） 改变比例器的比例系数，观察流量的变化6.4.5 实验结果与液位单闭环相比较，前馈反馈控制系统调节时间（回复时间）减少，最大动态偏差减少。控制性能分析：A.从前馈控制的角度，由于反馈，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可对未作前馈补偿的干扰进行校正；B从反馈的角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大的减少了反馈的负担。7 总结经过为期将近一个学期的设计，过程控制系统的这份大作业单容水箱液位控制系统设计，终于将要画上句号了。通过做这份作业，我们能够将课本上的知识加以更好地加以消化和巩固，将理论和实际相结合。通过计算机仿真，我们对抽象的过程控制理论知识有了直观的认识和理解。通过这次作业，我掌握了简单控制系统的建模过程和方法，掌握了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的特点及应用场合，掌握了运用频率特性法和衰减曲线法整定PID控制器的参数。单闭环的控制性能较差，超调量大，调节时间长，但实现起来简单，PID参数整定较简单；串级控制的控制性能比单闭环好，能够减小超调量，减小调节时间，能够快速的抑制内环内的扰动，提高系统的抗干扰能力，但串级系统参数整定较复杂；前馈反馈控制的控制性能也比单闭环好，能够在扰动影响系统输出之前对调节器的输出做出修正，减小扰动对输出的影响。当然，我所设计的控制系统还存在许多问题，例如串级控制系统的参数整定的不好，系统衰减太慢，超调较大，调节时间很长，还没有找到一组合适的主副控制器参数；积分控制器的参数整定的不好，超调很大，振荡周期很长，调节时间很长，控制效果不好。参考文献1 王子才. 控制系统设计手册. 北京：国防工业出版社，19932 王树青，乐嘉谦. 自动化与仪表工程师手册. 北京：化学工业出版社，20103 Seborg D E，Edgar T F and Mellichamp D A著，王京春等译. 过程的动态特性与控制(Process Dynamics and Control). 第二版. 北京：电子工业出版社，20064 Shinskey F G著，萧德云等译. 过程控制系统应用、设计、整定. 第三版. 北京：清华大学出版社，20045 黄德先等. 过程控制系统. 北京：清华大学出版社，20116 蒋慰孙，俞金寿. 过程控制工程. 第二版. 北京：中石化出版社，20047 黄德先等. 化工过程先进控制. 北京：化学工业出版社，20068 Luyben W L. Design and control degrees of freedom. Industrial & Engineering Chemistry Research，1994,49(13)：208920959 Newell R B and Lee P L. Applied process control. Brookvale，NSW，Australia：Prentice-Hall of Australia，198910 Hougen J O. Measurement and control applications. Secend ed. NC：ISA，Research Triangle Park，1979附录仿真程序图附图 1比例控制仿真图P=-200 ，Qd=-5000cm3附图 2前馈控制仿真曲线附图 3前馈断开系统仿真曲线