过控实践大作业报告(共27页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上2017-2018（2）“过程控制系统综合实践”报告设计时间： 2018年 6月28日 7 月7日课程设计（大型作业）任务书（2017/2018 学年第二学期）老师签名： 教研室主任（系主任）签名： 一、 设计目的1、了解实际控制系统的组成和使用的自动化仪表，掌握被控对象的建模方法，熟悉PID控制律的选择规则和控制器的整定原则；2、了解串级控制系统的结构、工作原理和设计方法，完成水箱液位串级控制的实物实验；3、掌握串级、前馈、比值、Smith预估器、解耦等复杂控制方法的设计和应用原则，能根据复杂被控对象的特点，选择合适的复杂控制手段，完成控制器参数的整定，尽可能提高系统的控制品质；4、尝试高级的、智能的控制算法的应用。二、 设计内容、要求及组织形式1、设计内容 （1）实物实验：完成实物实验（实验指导书可在“课程网站首页-教学公告点击查看更多实践教学更多”中下载）；（2）仿真设计：针对实际生产过程中的复杂对象进行控制系统的设计与仿真，达到预定的控制目标（具体课题由指导老师布置）。2、要求 （1）实物实验：要求画出控制系统原理图和实验系统的设备连接图，详细记录实验过程和数据，打印波形图，并进行系统特性对比和分析； （2）仿真设计：要求分析被控对象的特性，画出控制系统的方框图和P&ID图，记录仿真过程中的典型数据和波形图，对仿真过程中的出现的问题进行说明和总结。 三、 设计进度及安排（时间及地点） 时间和地点设计进度时 间地 点任务布置6月28日上午9：0010：30阶四理解设计要求，查找资料6月2830日图书馆或机房复杂控制系统实验见附录电自大楼410412实际生产过程控制系统的设计及仿真7月1日7月4日 机房7月3日中期检查见附录撰写课程设计报告7月4日7月5日机房答疑及答辩见附录四、 考核形式及成绩评定办法1、考核形式采用分项考核方式，通过综合实验表现、答疑情况、中期检查结果、答辩表现、报告质量等多个环节来共同确定成绩。2、成绩评定方向实物实验部分成绩仿真部分 成绩实验内容成绩比例自动化（火电、核电方向）双容水箱串级控制系统实验50%50%首次出勤、实验时的表现、中期检查情况、答辩和报告均计入本次课程设计考核内容。目录 第一部分 双容水箱液位串级PID控制实物实验一、 实验目的1 二、 实验原理1三、实验步骤3 四、数据记录及处理8 五、结果分析 10六、思考题11 七、分析与总结 12第二部分 催化裂化再生器压力控制系统设计与仿真一、设计内容和要求13 二、设计原理15 三、 仿真记录17四、 结果分析19 五、 改进设计19 六、 总结 22专心-专注-专业 第一部分 双容水箱液位串级PID控制实物实验 时间： 2018年7月2日 同组人： 顾思远 一、 实验目的 1、 进一步熟悉PID调节规律；2、 学习串级PID控制系统的组成和原理；3、 学习串级PID控制系统投运和参数整定。二、 实验原理1.控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。本仿真系统的方框图和设备连接图如图1和图2所示。 图1 双容水箱串级控制系统的方框图 图2 双容水箱串级控制系统的设备连接图串级控制器术语说明：主变量：y1称主变量。使它保持平稳是控制的主要目的。副变量：y2称副变量。它是被控过程中引出的中间变量。副对象：上水箱。主对象：下水箱。主控制器：PID控制器1，它接受主变量的偏差e1，输出是去改变副控制器的设定值。副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门。副回路：处于串级控制系统内部，由PID控制器2和上水箱组成的回路。主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。2.串级PID控制系统投运串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路的投运方式。这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步骤：将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定。用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，将副控制器设成自动无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量。手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，将主控制器设置成自动无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量。串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值，从而构成串级系统。3.串级PID控制系统的参数整定串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。在整定时，应尽量加大副调器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。三、实验步骤 CS4000型过程控制实验装置连接如下：图3 CS4000实验装置接线图运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面，选择实验模式为“DDC模块”；单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面，如下图所示：图4 双容水箱液位串级控制实验界面选择“串级回路 1”作为控制回路，打开进水阀 V13，关闭其它进水阀，这样便构成了一个控制回路。在串级控制系统中，上水箱（3号）为串级系统的副回路对应的 PID控制器为串级的后级，下水箱（1号）为串级系统的主回路对应的 PID控制器为串级的前级。单击实验界面中水箱3液位控制器标签，然后单击 “手动”按钮。再单击MV柱体旁的增/减键，设置 MV（U1）的值=20%，等系统达到稳态后，给 MV一个阶跃(U1增8%)，将3号和 1号水箱的液位变化数据记录在表1中。 根据实验数据分别画出上、下水箱的阶跃响应曲线图，见后面的图15，用两点法求出上、下水箱的数学模型，并以此作为 PID初始参数计算的依据（响应曲线参数整定法）。具体见后面的“数据记录及处理”部分。将初步整定得到的Kp=5.495、Ti=72.6 输入到副控制器中，并进行微调（Ti=65），使内回路控制效果达到最佳。这一过程如图5所示。图5 副控制器参数整定效果图为了防止水箱溢出危险，主回路参数在投入前需要先进行仿真。用MATLAB软件在simulink中搭建模型，如图6所示。图6 simulink仿真模型注：本实验为双容水箱液位串级实验，使用两点法求得到的下水箱模型需要除去上一步所得上水箱模型才得到单纯下水箱的数学模型。首先投入的是经响应曲线法初步整定出来的参数，如下图所示：图7 初步整定参数投入仿真模型其效果如下图所示。由图可知，效果不太理想，于是需要进一步整定主控制器参数（副控制器参数不变）。图8 初步整定效果图将主控制器参数Ti设为无穷大，同时减小Kp，直至出现4:1衰减比，参数和曲线如图9和图10所示。图9 主控制器参数 图10 4:1衰减曲线由图10可知，振荡周期Ts=500s,再由Kp=0.7，查表计算得整定参数Kp=0.58，Ti=250，投入主控制器，运行得新的响应曲线(如图11)，效果理想。于是可考虑投入实物系统中。图11 仿真模型最终的理想效果图下面进行实物系统主控制器的参数投入（前提是系统已处于稳态）。将主控制器设成手动状态，单击 MV柱体旁的增/减键，设置 MV（Z1）的值，使其与副回路 PID控制器的设定值相等。稳定后，将Kp=0.58，Ti=250输入到主控制器中，切自动，同时将副控制器设为远端模式，此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。效果如下图所示。图12 Kp=0.58，Ti=250图13 Kp=0.58，Ti=200图14 Kp=0.4，Ti=200四、数据记录及处理图15 两点法求k、T、数学模型五、结果分析针对本次的双容水箱液位串级PID控制实物实验，我们选的是PI控制规律。我们首先投入副控制器参数Kp=5.495、Ti=72.6, 是我们通过响应曲线法算出来的，发现曲线效果较好，只不过超调量稍微有点大。于是，我们减小Ti（= 65），发现超调量有所减小，曲线达到理想效果。这一过程如图5所示。为了防止溢出危险，必须严格投入主控制器参数。在仿真模型中，先了根据响应曲线法算出来的参数Kp=1.1186,Ti=495,运行后发现曲线震荡频繁（见图8）。于是，我们必须进一步整定参数。我们选择的是衰减曲线法。整定出来的参数为Kp=0.58、Ti=250，仿真效果不错（见图11）。接下来，便将Kp=0.58、Ti=250投入到实物系统的主控制器中，曲线如图12所示。超调量=11.6%，过渡时间=1033s, 效果较理想。为了减小过渡时间，我们选择减小Ti（=200），曲线如图13所示。超调量增加到20%，过渡时间减小到666s。于是，经过分析得出，减小Ti，就相应增大了控制器的输出信号u（t）,使调节阀的动作加快，动作幅度增大，这势必加剧系统振荡，导致最大动态偏差增大。在第三次投参数时，我们想在第二组数据上的基础上，加快响应速度，我们应该增大Kp，然而由于粗心，我们减小了Kp=0.4，结果不出所料，曲线过渡时间大大增大了。通过查找资料，比例作用增大时，闭环系统稳态误差变小，响应的振荡加剧，响应速度加快。试验表明，当Kp超过某值后，系统响应将变得不稳定。于是，经过分析得出，Kc减小，会减缓响应速度，导致过渡时间增大。 最终本次实验双容水箱液位串级PID控制实物实验，我们组选用的最佳参数为：Kp=0.58, Ti=250s。六、思考题1、 串级控制相比于单回路控制有什么优点?答：对进入副回路的干扰有很强的克服能力，由于串级控制中副回路的存在能迅速克服进入副回路的干扰，从而大大减小副回路干扰对主参数的影响。并且副回路的存在提高了系统总放大系数，因而抗干扰能力和控制性能比单回路控制系统有明显提高。改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。由于副回路的存在，使等效控制对象的时间常数大大减小，改善了系统的动态特性。且串级控制系统的工作频率提高了很多，控制品质大为改善。对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。副回路是一随动控制系统，设定值随主调节器的输出而变化，这样主调节器就可以按照操作条件和负荷的变化相应地调整副调节器的设定值，从而使系统的控制品质得到保证。2、 为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？答：在串级控制系统中，由于加了副回路控制，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点，主回路具有后调、细调、慢调的特点。对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。由于主、副回路相互配合、相互补充，相互协调工作，从而使整个系统的控制品质得到较大提升。3、 串级控制系统应如何投运？答：先投副环再投主环，之后要将两个控制器实现串级。投运过程中，应先控制主副回路各自在初始稳定状态，随后先投运副回路控制器，使其从手动状态转为自动状态，并输入合适的控制参数，给副回路一阶跃信号，观察副回路整定效果，若不理想则进一步整定直至达到理想的整定效果。之后再投运主回路控制器，设置主回路的输出值使其与副回路的设定值相同，以实现串级系统无扰的手自动切换，随后将副回路与主回路串级连接，实现系统串级控制。再给主回路设定值一阶跃信号，观察主副回路的控制效果，再根据控制效果对主回路控制器参数进一步整定，逐步达到理想的控制效果。4、 串级控制系统参数应如何整定？答：串级控制系统主、副调节器的参数整定法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。无论采用哪种整定方法，大都是先整定副回路的控制参数，再整定主回路的调节器控制参数。最后根据品质要求与观察过渡过程曲线判断整定是否合理，根据控制规律再进行进一步的调节处理。七、分析与总结总得来说，本次实验较为顺利、成功，整个实验过程没有出现什么大的错误或者意外。本实验与以前做过的过控实验有很多相似的地方，主要是进一步熟悉PID调节规律，学习串级PID控制系统的组成和原理，以及其投运和参数整定。理论知识有时候很死板，只有亲自动手做过实验，才能对知识有更好的掌握和运用。通过本次实验，我还学会了如何对一个实物模型进行仿真运行的方法。一定要注意到，本实验为双容水箱液位串级实验，使用两点法求得到的下水箱模型需要除去上一步所得上水箱模型才得到单纯下水箱的数学模型。其中，我和我的组员用两点法求出的上水箱的k、T、数学模型不一样，导致整定出来的P、I参数也不一样，我们最终选择了他的数据进行投入，原因是他的P更大、I更大，更安全。在做第三组实验的时候，如果Kp不是减小，而是增大的话，曲线效果应该更好。由于时间原因没得继续做第四组，有点遗憾。 第二部分 催化裂化再生器压力控制系统设计与仿真一、设计内容和要求1生产过程对系统设计的要求 催化裂化过程是许多化工生产的主要工序之一。在这个工序中往往产生一些包含有高温能量的废气，为了节省能量，常常利用烟气轮机来回收能量，其工艺过程如图所示，再生器排出的废气经旋风分离器除尘后送往烟气轮机，带动烟气轮机工作，多余的废气经烟囱排空。烟气轮机把废气的能量转化为压缩机的机械能，将经压缩机升压后的再生原料气送往再生器。 为了最大的节省能量，应让废气尽量的通过烟气轮机。当再生器压力升高时将通往烟气轮机的废气流量减少，同时让从烟囱排出的废气按接近的数量增加。 图16 催化裂化调节器系统结构图 2系统设计（1）分析该控制系统的控制方案，绘制对应的控制系统结构方框图，为调节阀1# 和2#进行选型，说明选型理由，并说明调节阀的工作区间和工作行程。（2）若实验测得经烟囱通道的对象特性为 式中为压力信号的拉氏变换结果，为阀门1#信号的拉氏变换结果。经烟气轮机通道的对象特性为式中为压力信号的拉氏变换结果，为阀门1#信号的拉氏变换结果。 假设压力变送器的测量范围为0-200KPa，工艺要求不允许有静态偏差，选择合适的调节器，并对调节器参数进行整定。通过计算及仿真分析控制系统的动静态特性。3针对该对象，假设再生原料气入口至再生器压力的传递函数为 式中为压力信号的拉氏变换结果，为再生原料气流量测量信号的拉氏变换结果。(1)当再生原料气增大或者减少时，试分析原控制系统的调节过程。(2)试设计一控制系统能够有更好地抑制再生原料气入口流量的扰动，设计系统的设备连接图和框图，分析系统工作原理。并用仿真的手段整定对应的控制器（补偿器）参数，模拟再生原料气扰动情况下的控制效果，分析其动静态特性。4. 除以上设计方案外，还可以采取其他哪些控制手段改善控制效果？得出仿真结果，比较其与前面控制方案的优劣。二、设计原理1. 如下图为催化裂化再生器压力控制系统的设备连接图图17 系统设备连接示意图2.如下图为压力控制系统方框图图18 原系统方框图3.加入前馈控制器后的压力控制系统方框图图19 加入前馈补偿扰动系统方框图4. 调节阀气开、气关的选择为了保证系统的安全再生器压力不应过高，无信号时调节阀1#应关闭，调节阀2#应打开，于是调节阀1#选择气开方式， 调节阀2#选择气关方式。5. 压力控制器正、反作用的选择为了保证整个回路构成负反馈，当调节阀1#开度增大，通往烟气轮机的废气流量增加，经压缩机升压后送往再生器，导致再生器内压力升高，于是被控对象为“+”，又因为调节阀1#为气开式，即“+”，于是压力控制器为“-”，即为反作用。6. 调节阀工作行程的选择当再生器压力升高时，因为压力控制器是反作用，控制器输出信号将减小，要使通往烟气轮机的废气流量减少，即调节阀1#开度要减小， 同时让从烟囱排出的废气按接近的数量增加，即调节阀2#开度要增大。又因为要最大的节省能量，让废气尽量的通过烟气轮机，即在再生器内压力小，即控制器输出大信号时，应全开阀门1#，关闭阀门2#。 所以两个调节阀的动作曲线应如下图：图20 调节阀1#、2#分程关系图7.控制规律的选择被控变量是压力，所以不能选择微分控制作用，又因为工艺要求不允许有静差，所以选择PI控制规律。三、 仿真记录1. 原系统的仿真模型搭建如下：图21 原系统的仿真模型调节控制器参数Kp=3，Ti=30时，该系统对应的阶跃响应曲线如图22所示。由图可知，其超调量约为11%，过渡时间约为120s,静态偏差为0，满足实验要求。图22 原系统最终整定曲线效果图2.原系统抗干扰测试在原系统的基础上，在200s时加入一个再生原料气入口流量至再生器压力的外扰，其是通过烟气轮机通道影响被控变量的，过程简要叙述如下：当再生原料气增大时，则烟气轮机把其携带的更多的高温能量转化为压缩机的机械能，压缩机将利用其更多的机械能将再生原料气升压更高后送往再生器，经压力变送器测量后输入到压力控制器，因为控制器是反作用，则输出一个更小的控制信号，由分程关系图可知，阀门1#开度减小，阀门2#开度增大，于是更多的废气经烟囱排出，则进一步导致再生器压力降低，便达到了反馈控制的目的。 其抗干扰效果如图23所示。 图23 原系统抗干扰测试曲线图3.前馈补偿外扰方案设计由于再生原料气入口流量至再生器压力的扰动，是通过烟气轮机通道影响被控变量的，因此属于外扰，可加入一个前馈补偿器来克服该扰动。又因为烟气轮机通道和再生原料气入口通道都是带有延时的环节，于是这里采用静态前馈补偿方案比较容易实现。系统方框图如图19所示。仿真模型如图24所示。图24 带前馈补偿的系统仿真模型 加入静态前馈补偿器与原系统对干扰的克服能力对比，如下图所示。图25 有无前馈补偿系统抗干扰能力对比图四、 结果分析由图25分析可知，原系统抗外扰能力较弱，在约200s的时间最终虽能回到原稳态（仍无差），但在这个过程中系统的超调量超过了90%，不利于生产安全。加入静态前馈补偿后，超调量有所降低，抗外扰能力有所提高，但仍不是很理想。于是下面接着提出了改进方案。五、 改进设计由于原系统的两个控制通道的 ，属于大滞后过程。因此，考虑加入Simth预估器来改善系统的控制品质。这里采用的补偿方法与前馈补偿不同，是按照对象特性，设计一种模型加入到反馈控制系统，估计出对象在扰动作用下的动态响应，提早进行补偿，使控制器提前动作，从而降低超调量，并加速调节过程。为了更好地与原系统进行对比，PI参数不变。观察加入Simth预估器后，系统的抗干扰能力是否有所提高。改进后的仿真模型如图26所示。抗干扰能力与原系统对比如图27所示。图26 加入Simth预估器的改进方案图27 两种方案的抗干扰能力对比由图27可知，在原方案的基础上加入两个Simth预估器，系统的抗干扰能力明显增强。具体分析可知，在无外扰的情况下，系统达到稳态的过程中无超调。在200s时开始加入干扰，系统的超调达到60%，相比原系统（约90%）降低了很多。于是，控制品质得到了较大改善，改进方案设计合理。下面来研究在改进方案中再加入静态前馈补偿器的控制效果。控制方案如图28所示。控制效果如图29所示。图28 带前馈补偿+Simth预估器的改进方案图29 有无前馈静态补偿的Simth改进方案 在带有Smith预估器的改进方案中，再加入一个静态前馈补偿器来改善其抗干扰能力。由图29可知，在补偿外来干扰时，系统这一调节过程超调量约为20%，而不带静态前馈补偿器（仅有Simth预估器）的改进方案中，系统超调量约为60%，系统抗干扰能力大大提高。六、 总结在一开始拿到题目时，对被控过程很陌生，读了大概10遍左右才稍微看懂了些，再结合网上搜索相关生产过程，最终完全理解了该控制系统。接下来很顺利画出了系统的方框图，实质是一个分程控制系统，即一个控制器的输出信号分段去控制两个调节阀。之后也遇到了几个相对比较棘手的问题，在这里作个总结： 1.调节阀的分程关系曲线的确定。由于调节阀1#、2#是一气开式、一气关式，课本上的两种气开-气关、气关-气开都不符合工艺设计要求。但我又不是十分确定是否可以自主设计别的形式的分程关系曲线（主要是担心工艺上实现不了），在向孙老师答疑后，我明白了，言之有理便可以有其它形式的分程关系曲线。最终，我选择了如图20所示的分程关系曲线。2.调节阀传递函数的确定。一开始考虑的是如何对控制器输出信号进行分段，因为我们并不知道控制器输出信号范围是多少，最后决定假设控制器输出信号为4-20mA，于是我们确定了Kv=6.25。接下来犹豫的是调节阀2#的Kv前要不要加“-”号。本身就含有一个“-”号，如果再给调节阀2#一个“-”号，岂不是抵消掉，跟烟气轮机控制通道没有什么差别了？后面，经老师提醒，Kv不加“-”号，才是真真正正被抵消掉了(前提K、T、 数值大小相同)！于是，最终确定Kv1=6.25，Kv2=-6.25。3.控制正反作用在仿真中的体现。在确定该控制系统的压力控制器为反作用时，一度以为Kp应为负，其实正好相反。反作用=SP-PV，反馈闭环回路“默认”就是反作用。4.无静差的观察方法。当测量变送器的增益不等于1时，则应相应在设定值至第一个加法器处中间放置一个等大的增益，以便于直观地观察。5.不足之处。由于时间有限，调节阀的传递函数并没有按照我自己所选的分程关系曲线所确定，仅仅是用一个增益代替了该环节，略微粗糙。其实可以通过加一个线性函数等手段加以实现，这里不再做叙述。从系统的设计、设备的选型、模型的搭建，到参数的整定、系统的优化，这几天的综合实践，我真的收获很多！仅仅学会书本上的知识还不够，重要的是将之用之实践，经历一个再思考，再学习，再进步的过程。