單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè) 單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 文強(qiáng)文強(qiáng) 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào) 2212130 任課教師任課教師 陶瓏陶瓏 院 系 中心院 系 中心 ?？撇繉？撇?專業(yè)專業(yè) 生產(chǎn)過程自動(dòng)化生產(chǎn)過程自動(dòng)化 提交日期提交日期 2015 年年 10 月月 日日 太太 原原 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘摘 要要 本論文以單容水箱為被控對(duì)象 給出了單閉環(huán)控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋 反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制 本論文還針對(duì)每種控制系統(tǒng) 在 Matlab 的 Simulink 中建立仿真模型進(jìn)行仿真 得到仿真曲線 并且利用仿真曲 線分析控制系統(tǒng)的性能 例如最大動(dòng)態(tài)偏差 調(diào)節(jié)時(shí)間 衰減率和積分性能指標(biāo) IAE 等 單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括 P I PI 和 PID 的設(shè)計(jì) 本文分別通過衰減 頻率特性法 理論整定法 和衰減曲線法 工程整定法 對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行了整定 本論文還通過比較各控制系統(tǒng)的仿真曲線和系統(tǒng)性能指標(biāo) 對(duì)各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 案進(jìn)行了比較 發(fā)現(xiàn)串級(jí)控制和前饋反饋控制可提高系統(tǒng)性能 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 PIDPID 串級(jí) 前饋反饋 參數(shù)整定 串級(jí) 前饋反饋 參數(shù)整定 SimulinkSimulink Design on Water Level Control in a Tank Abstract This 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 system s performance Keywords PID Cascade Feedforward feedback Parameter tuning Simulink 目 錄 摘摘 要要 I ABSTRACT II 1設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 1 2單容水箱系統(tǒng)建模單容水箱系統(tǒng)建模 3 3單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 3 1比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 3 2積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 3 3比例 積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3 4比例 積分 微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 4串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì) 16 5前饋控制方案設(shè)計(jì)前饋控制方案設(shè)計(jì) 18 6實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告 19 6 1壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn) 19 6 2液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn) 20 6 3上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn) 22 6 4前饋反饋控制實(shí)驗(yàn) 24 7總結(jié)總結(jié) 26 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 27 附錄附錄 28 可編輯 word 文檔 1設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 圖 1 單容水箱液位控制系統(tǒng) 單容水箱液位控制系統(tǒng)如題圖 1 所示 已知 F 1000cm2 R 0 03s cm2 調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式 其靜態(tài)增益 液位變送器靜態(tài)增益 3 28cm s mA v K A 1mA cm m K 1 畫出該系統(tǒng)的傳遞方框圖 2 對(duì)單容水箱 調(diào)節(jié)閥 液位變送器進(jìn)行建模 理解 F R Kv Km 的物理 意義和量綱的關(guān)系 3 采用單閉環(huán)控制 分別設(shè)計(jì) P I PI PID 調(diào)節(jié)器 定義性能指標(biāo) 對(duì)控 制性能進(jìn)行評(píng)價(jià) 定義哪些性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià) 4 對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行整定 工程的方法和理論的方法 5 設(shè)計(jì)串級(jí)和前饋控制系統(tǒng) 分析性能 并和單閉環(huán)進(jìn)行對(duì)比 6 結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告 說明 1 仿真工具采用 Matlab 2 本設(shè)計(jì)持續(xù)一個(gè)學(xué)期 答案不唯一 大家可以相互討論 但每個(gè)人都 要做設(shè)計(jì) 3 在整個(gè)學(xué)期中 不定期的上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的電子版 電子版命名方法為 學(xué)號(hào) 姓名 rar 內(nèi)分 2 個(gè)目錄 可編輯 word 文檔 document 用于存放文檔 simulation 用于存放仿真文件 每次提交的時(shí)候 將整個(gè)文件夾壓縮后電子郵件至 limingneu 可編輯 word 文檔 2單容水箱系統(tǒng)建模單容水箱系統(tǒng)建模 單容水箱系統(tǒng)的傳遞方框圖如所示 Gc s Gv s Gp s Gms uQi s H s R s Y s E s Qd s Q s 圖 2 單容水箱系統(tǒng)的傳遞方框圖 在任何時(shí)刻水位的變化均滿足物料平衡方程 5 1 ido dH QQQ dtF 1dH Q dtF 其中 i Qk o H Q R F 為水槽的橫截面積 F 1000cm2 為決定于閥門特性的系數(shù) 可以假定它k 是常數(shù) 是與負(fù)載閥的開度有關(guān)的系數(shù) 在固定不變的開度下 可視為常數(shù) RR R 0 03s cm2 為調(diào)節(jié)閥開度 控制水流入量 由控制器 LC 控制 Kv 為閥門 i Q 靜態(tài)增益 即當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí) 閥門的增益 由于閥門為氣關(guān)式 所以 Kv 為 即 可將閥門看成一個(gè)靜態(tài)增益為的一階慣性環(huán)節(jié) 液 3 28cm s mA v K A v K 位變送器靜態(tài)增益 Km 為儀表的輸出范圍 儀表的輸入范圍 假設(shè)液位變送器為線 性儀表 則其可看成是一增益為 的比例環(huán)節(jié) 為擾動(dòng) 其值可根據(jù)1mA cm m K d Q 具體情況而定 假設(shè)擾動(dòng)為常值 在起始的穩(wěn)定平衡工況下 平衡方程式 2 1 變?yōu)?d Q 000 1 0 ido QQQ F 式 2 5 減式 2 1 得 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 可編輯 word 文檔 1 io d H QQ dtF 式 2 6 就是動(dòng)態(tài)平衡方程式 1 1 的增量形式 考慮水位只在其穩(wěn)態(tài)值附 近的小范圍內(nèi)變化 故可得以下近似 0 1 2 o QH R H 于是式 2 6 可化為 0 11 2 i d H QH dtFR H 如果各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起算點(diǎn) 則可去掉上市中的增量符號(hào) 得 0 11 2 i dH QH dtFR H Laplace 變換得 0 11 2 i sH sQH s FR H 假設(shè)液位的初始值為 代入數(shù)據(jù)得單容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 0 16Hcm 11 10002 0 03 16 i sH sQH s 被控對(duì)象傳遞函數(shù)為 0 3 3001 p H s Gs Q ss 假設(shè)調(diào)節(jié)閥為一階慣性環(huán)節(jié) 于是得單容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖 Gc s uQi s H s R s Y s E s Qd s Q s 1 v v K T s 0 3 3001s m K 圖 3 單容水箱系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖 2 6 2 7 2 8 2 10 2 11 2 9 2 12 可編輯 word 文檔 3單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 28cm s mA1mA cm 1s vmv KKT 假設(shè) 3 1比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 4 比例控制仿真圖 1 理論整定方法 廣義被控對(duì)象為 8 4 1 3001 pvpm GsG s Gs Gs ss 令 根據(jù)頻率特性法 5 整定控制器的參數(shù)得0 2210 75 ss m s m 1 m ppss ps K M 則由式 3 1 解得 再由 可得到理論整定值 s 1 p pss K Mm p K 2 工程整定方法 采用衰減曲線法 5 調(diào)整參數(shù) 令 得系統(tǒng)衰減振蕩曲線0 75 3 1 可編輯 word 文檔 圖 5 系統(tǒng)衰減振蕩曲線 P 200 由系統(tǒng)衰減振蕩曲線得 2 12 1 16 24 0481 18 061610 74380 75 16 1 5 082 322 76s2000 005 sp p y yy y TK K 由衰減曲線法參數(shù)整定公式可整定得到比例度 積分時(shí)間和微分時(shí)間 I T 的整定值 結(jié)果如表 1 所示 D T 表 1 衰減曲線法參數(shù)整定計(jì)算表 衰減率 整定參數(shù) 調(diào)節(jié)規(guī)律 I T D T P 0 005 PI 0 0061 380 75 PID 0 0040 8280 276 3 性能指標(biāo) 在 t 15s 加入擾動(dòng) 得到仿真曲線如附圖 1 所示 將波形數(shù)據(jù) 3 5000cm d Q 通過 To Workspace 輸出到 Matlab 工作區(qū)進(jìn)行計(jì)算 可得時(shí) 該比例0 005 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下 衰減率 0 7438 最大動(dòng)態(tài)偏差 8 0481 殘余偏差 0 9018 y1 y1 y1 Ts 可編輯 word 文檔 調(diào)節(jié)時(shí)間 6s 絕對(duì)誤差積分 IAE 3 7569 結(jié)論 有差控制 對(duì)小的干擾由較好的抑制作用 能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新 的穩(wěn)態(tài)值 3 2積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 理論整定方法 廣義被控對(duì)象為 8 4 1 3001 pvpm GsG s Gs Gs ss 令 根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得0 2210 75 ss m 3 2 2 0 s 1 m m arctan 2 s pss pss m S M m 則由式 3 2 可解得 再由 可得到 積分速度 進(jìn)而 s 2 0 1 m s pss m S M 0 S 可計(jì)算出積分時(shí)間理論整定值 0 1 I T S 2 性能指標(biāo) 積分控制系統(tǒng)仿真框圖 圖 6 積分控制仿真圖 I 1 20 對(duì)積分控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定 得仿真曲線如下圖所示 1 20I 0 d Q 由仿真曲線可知 積分控制最終能實(shí)現(xiàn)無靜差控制 但系統(tǒng)振蕩頻率低 超調(diào)量很 大 約為 190cm 調(diào)節(jié)時(shí)間很長 約為 5000s 因此單獨(dú)使用積分控制 系統(tǒng)性 能較差 可編輯 word 文檔 圖 7 積分控制仿真圖 I 1 20 Qd 0 在時(shí)加入擾動(dòng) 得仿真曲線 由圖可知 系統(tǒng)能抑制階5000st 3 5000cm d Q 躍擾動(dòng) 實(shí)現(xiàn)無靜差控制 但超調(diào)量很大 調(diào)節(jié)時(shí)間很長 圖 8 積分控制仿真圖 I 1 20 Qd 5000cm3 可編輯 word 文檔 3 3比例比例 積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 9PI 控制仿真框圖 1 理論整定方法 廣義被控對(duì)象為 8 4 1 3001 pvpm GsG s Gs Gs ss 令 根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得0 2210 75 ss m 3 3 1 2 0 1 sin cos m 1 sin m spsps ps s ps pss Smmm M m Sm M 以為參變量 和分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo) 式 3 3 表示的控制器整定參 1 S 0 S 數(shù)之間的關(guān)系可以畫成等衰減曲線圖 圖中每條曲線代表某一規(guī)定的衰減率 等衰減曲線上的每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表控制器的一組整棟參數(shù) 選擇一組合0 75 s 適的 作為控制器的整定參數(shù) 1 S 0 S 2 工程整定方法 衰減曲線法 如表 1 得 擾動(dòng) 得仿真曲線如下0 d Q 0 006 1 38s I T 可編輯 word 文檔 圖 10PI 控制仿真曲線 P 1 0 006 I 1 1 38 Qd 0 可得 2 12 1 16 23 3368 17 615010 7798 16 5 42 43s0 006 1 38s sI y yy y TT 3 性能指標(biāo) 擾動(dòng) 3 5000cm d Q 0 006 1 38s I T 圖 11PI 控制仿真曲線 P 1 0 006 I 1 1 38 Qd 5000cm3 對(duì)擾動(dòng)的抑制作用很差 需要很長時(shí)間才能消除偏差 因此加大積分的作用 減小積分時(shí)間 增大比例增益 加快系統(tǒng)響應(yīng)速度 I T 擾動(dòng) 3 5000cm d Q 0 006 0 01s I T 可編輯 word 文檔 圖 12PI 控制仿真曲線 P 1 0 006 I 1 0 01 Qd 5000cm3 由圖可知 減小了積分時(shí)間后 調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短 大約為 15s 能在較短 I T 的時(shí)間內(nèi)接近穩(wěn)態(tài)值 擾動(dòng) 3 5000cm d Q 0 003 0 01s I T 圖 13PI 控制仿真曲線 P 1 0 003 I 1 0 01 Qd 5000cm3 由圖可知 繼續(xù)比例帶 可使調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步減小 大約為 9s 偏差減小 系統(tǒng)響應(yīng)加快 對(duì)應(yīng)擾動(dòng) 的性能指標(biāo)如下 3 5000cm d Q 0 003 0 01s I T 衰減率 0 7798 最大動(dòng)態(tài)偏差 7 3368 殘余偏差 0 可編輯 word 文檔 調(diào)節(jié)時(shí)間 9s 絕對(duì)誤差積分 IAE 3 9498 3 4比例比例 積分積分 微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 14PID 控制仿真框圖 1 理論整定方法 廣義被控對(duì)象為 8 4 1 3001 pvpm GsG s Gs Gs ss 令 根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得0 2210 75 ss m 3 4 1 2 2 0 2 1 sin cos 2 m 1 1 sin m spspss ps sps pss SmmmmS M SmmS M 令 則式 3 4 由三個(gè)變量 以為參變量 和分別為橫坐 1 4 DI TT 1 S 0 S 標(biāo)和縱坐標(biāo) 式 3 4 表示的控制器整定參數(shù)之間的關(guān)系可以畫成等衰減曲線圖 圖 中每條曲線代表某一規(guī)定的衰減率 等衰減曲線上的每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表控0 75 s 制器的一組整定參數(shù) 選擇一組合適的 作為控制器的整定參數(shù) 1 S 0 S 2 S 2 工程整定方法 可編輯 word 文檔 如表 1 得 得仿真曲線如下0 004 0 828s 0 276s ID TT 圖 15PID 控制仿真曲線 P 1 0 004 I 1 0 828 D 0 276 Qd 0 可得 2 12 1 16 24 7026 18 580110 7035 16 4 64052 22592 4146s0 004 0 828s 0 276s sID y yy y TTT 3 性能指標(biāo) 擾動(dòng) 3 5000cm d Q 0 004 0 828s 0 276s ID TT 圖 16PID 控制仿真曲線 P 1 0 004 I 1 0 828 D 0 276 Qd 5000cm3 同比例積分控制 比例積分微分控制對(duì)擾動(dòng)的抑制作用很差 需要很長時(shí)間才 能消除偏差 因此加大積分的作用 減小積分時(shí)間 減小比例帶 增加微分時(shí) I T 可編輯 word 文檔 間 加快系統(tǒng)響應(yīng)速度 擾動(dòng) 3 5000cm d Q 0 004 0 01s 0 276s ID TT 圖 17PID 控制仿真曲線 P 1 0 004 I 1 0 01 D 0 276 Qd 5000cm3 由圖可知 減小了積分時(shí)間后 調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短 大約為 10s 能在較短 I T 的時(shí)間內(nèi)接近穩(wěn)態(tài)值 擾動(dòng) 3 5000cm d Q 0 001 0 01s 0 276s ID TT 圖 18PID 控制仿真曲線 P 1 0 001 I 1 0 01 D 0 276 Qd 5000cm3 由圖可知 繼續(xù)比例帶 可使調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步減小 大約為 5s 偏差減小 系統(tǒng)響應(yīng)加快 對(duì)應(yīng)擾動(dòng) 的性能指標(biāo)如下 3 5000cm d Q 0 001 0 01s 0 276s ID TT 衰減率 0 7035 可編輯 word 文檔 最大動(dòng)態(tài)偏差 24 7026 殘余偏差 0 調(diào)節(jié)時(shí)間 5s 絕對(duì)誤差積分 IAE 2 2275 可編輯 word 文檔 4串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì) 前面的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間 回復(fù)時(shí)間 較長 最大動(dòng)態(tài)偏差 較大 單閉環(huán)控制效果不佳 而且未考慮對(duì)象的純遲延時(shí)間 采用串級(jí)控制可提高 系統(tǒng)性能 減小調(diào)節(jié)時(shí)間 減小最大動(dòng)態(tài)偏差 減小對(duì)象純遲延時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的 影響 下圖為串級(jí)控制系統(tǒng)仿真框圖 圖 19 串級(jí)控制仿真框圖 對(duì)主副調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定 主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為 主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為1 1 0 01 2 3PID 擾動(dòng) 得串級(jí)控制系統(tǒng)仿真如下圖所示 1 1 15 1 0 11 4 3PID 0 d Q 由仿真圖可知控制振蕩頻率低 衰減慢 系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長 最大動(dòng)態(tài)偏差大 但無 靜差 圖 20 串級(jí)控制仿真曲線 Qd 0 可編輯 word 文檔 在時(shí)加入擾動(dòng) 仿真結(jié)果如下圖所示 由圖可知 系統(tǒng)160st 3 5000cm d Q 能已知階躍擾動(dòng) 實(shí)現(xiàn)無靜差控制 但超調(diào)量很大 調(diào)節(jié)時(shí)間很長 圖 21 串級(jí)控制仿真曲線 Qd 5000cm3 可編輯 word 文檔 5前饋控制方案設(shè)計(jì)前饋控制方案設(shè)計(jì) 采用前饋反饋控制可在輸出發(fā)生變化時(shí) 提前做出修正 減小擾動(dòng)對(duì)輸出的影 響 因此前饋反饋控制可以提高系統(tǒng)性能 減小調(diào)節(jié)時(shí)間 減小最大動(dòng)態(tài)偏差 減 小對(duì)象純遲延時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響 如圖為前饋反饋控制系統(tǒng)仿真方框圖 圖 22 前饋控制仿真框圖 比值分別為 RATIO1 0 9 RATIO2 0 1 延遲時(shí)間 PID 控制器參數(shù)0 1s 分別為 擾動(dòng) 在時(shí)加入 1 0 004 1 0 01 0 276PID 3 5000cm d Q 20st 流量變送器等效為增益為 1 的比例環(huán)節(jié) 設(shè)定值為 16cm 得圖仿真曲線如附圖 2 所示 將前饋斷開 得仿真曲線如附圖 3 所示 系統(tǒng)不穩(wěn)定 與單閉環(huán)相比 引入 前饋后 在系統(tǒng)輸出發(fā)生變化之前 前饋控制提前對(duì)擾動(dòng)做出修正 減小了擾動(dòng)對(duì) 輸出的影響 因此 前饋控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 調(diào)節(jié)時(shí)間大大減小 約為 2 5s 最大動(dòng)態(tài)偏差減小 約為 1 5cm 可編輯 word 文檔 6實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告 6 1壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn) 6 1 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)掌握壓力單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成 學(xué)生可自行設(shè)計(jì) 構(gòu)成單回路壓力 控制系統(tǒng) 學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì) 臨界比例度法 階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系 統(tǒng)的 PID 參數(shù) 熟悉 PID 參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響 用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行 PID 參數(shù)的自整定和自動(dòng)控制的投運(yùn) 6 1 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 采用階躍響應(yīng)法 臨界比例度法 衰減曲線法整定 PID 參數(shù) 并驗(yàn)證參 數(shù)的有效性 2 采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定 PID 參數(shù) 并驗(yàn)證其有效性 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下 參數(shù)說明 Sn 331 5V 電壓輸入 Dip 0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0 Dil 0輸入下限顯示值 Dih 100輸入上限顯示值 Opl 4輸出 4 20mA 電流 CF 2調(diào)節(jié)器反作用 有上電免除報(bào)警功能 無外部輸入 Run 1自動(dòng)調(diào)節(jié) 允許手動(dòng)設(shè)置 6 1 3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 PCT II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 6 1 4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 壓力單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 可編輯 word 文檔 變頻器調(diào)節(jié)器 壓力變 送器 水泵 圖 23 壓力單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖 1 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線 將閥門 V7 V10 打開 2 接通總電源 各儀表電源 將 PCT II 面板上的雙擲開關(guān)擲到外控端 3 整定參數(shù)值的計(jì)算值 4 將計(jì)算所得的 PID 參數(shù)值置于控制器中 系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行 加入擾 動(dòng)信號(hào)觀察各被測量的變化 直至過渡過程曲線符合要求為止 5 曲線的分析處理 對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理 6 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù) 記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理 6 1 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)所用調(diào)節(jié)器為 808 模糊控制器 手動(dòng) 自動(dòng)輸出 其給定值為 818PID 控制器 手動(dòng) 自動(dòng)輸出 的輸出 將 808 模糊控制器的設(shè)定值設(shè)置為某一值 再 令 CtrL 2 系統(tǒng)進(jìn)入自整定狀態(tài) 幾秒鐘后 測量值穩(wěn)定在控制器的設(shè)定值上 6 2液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn) 6 2 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)掌握液位單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成 學(xué)生可自行設(shè)計(jì) 構(gòu)成單回路壓力 控制系統(tǒng) 學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì) 臨界比例度法 階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系 統(tǒng)的 PID 參數(shù) 熟悉 PID 參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響 用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行 PID 參數(shù)的自整定和自動(dòng)控制的投運(yùn) 6 2 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 采用采用階躍響應(yīng)法 臨界比例度法 衰減曲線法整定 PID 參數(shù) 并驗(yàn) 證參數(shù)的有效性 2 采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定 PID 參數(shù) 并驗(yàn)證其有效性 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下 參數(shù)說明 可編輯 word 文檔 DF 3回差值 Sn 331 5V 電壓輸入 Dip 0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0 Dil 0輸入下限顯示值 Dih 450輸入上限顯示值 Opl 4輸出 4 20mA 電流 CF 2調(diào)節(jié)器反作用 有上電免除報(bào)警功能 無外部輸入 Run 1自動(dòng)調(diào)節(jié) 允許手動(dòng)設(shè)置 6 2 3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 PCT II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 6 2 4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器 液位變 送器 水箱 圖 24 液位單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖 1 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線 2 使水泵工作在恒壓供水狀態(tài) 3 接通總電源和儀表電源 4 將閥門 V2 V10 V7 打開 其余閥門關(guān)閉 5 整定參數(shù)值的計(jì)算 6 將計(jì)算所得的 PID 參數(shù)值置于控制器中 系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行 加入擾 動(dòng)信號(hào)觀察各被測量的變化 直至過渡過程曲線符合要求為止 7 曲線的分析處理 對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理 8 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù) 記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理 6 2 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 818PID 控制器為液位單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器 808 模糊控制器為壓力單閉環(huán)的調(diào)節(jié) 器 液位單閉環(huán) 818PID 控制器的輸出為壓力單閉環(huán)的設(shè)定值 當(dāng)其輸出值發(fā)生變 可編輯 word 文檔 化時(shí) 相當(dāng)于給壓力單閉環(huán)一個(gè)擾動(dòng) 令 808 的 CtrL 2 在控制閥開度變化時(shí) 其測量值仍能很快地跟隨其設(shè)定值 設(shè)置 818PID 控制器的 P I D 值 剛開始時(shí) 系統(tǒng)超調(diào)量較大 達(dá)到 80 左 右 振蕩頻率低 調(diào)節(jié)時(shí)間很長 為此 需修改 P I D 值 改善系統(tǒng)性能 減 小比例帶 P 減小積分時(shí)間 I 增大微分時(shí)間 D 經(jīng)過多次調(diào)整 最終系統(tǒng)性能達(dá) 到了較好的狀態(tài) 6 3上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn)上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn) 6 3 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成 掌握 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 掌握串級(jí)控制主 副回路的選擇 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整 定 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)投運(yùn)方法 了解串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路和主回路擾 動(dòng)的克服能力 6 3 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的方案 2 設(shè)計(jì)串級(jí)控制的主 副控制器 3 串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定 4 抗干擾試驗(yàn) 分別將干擾加于主回路和副回路 觀察并記錄控制效果 并進(jìn)行分析 5 對(duì)比實(shí)驗(yàn) 于單回路液位控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下 主調(diào)節(jié)器參數(shù)說明副調(diào)節(jié)器參數(shù)說明 DF 3回差值DF 3回差值 Sn 331 5V 電壓輸入Sn 321 5V 電壓輸入 Dip 0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dip 0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0 Dil 0輸入下限顯示值Dil 0輸入下限顯示值 Dih 450輸入上限顯示值Dih 100輸入上限顯示值 Opl 4輸出 4 20mA 電流Opl 4輸出 4 20mA 電流 CF 2 調(diào)節(jié)器反作用 有上 電免除報(bào)警功能 無 外部輸入 CF 8 調(diào)節(jié)器反作用 有上電 免除報(bào)警功能 無外部 輸入 Run 1 自動(dòng)調(diào)節(jié) 允許 手動(dòng)設(shè)置 Run 2 自動(dòng)調(diào)節(jié) 禁止 手動(dòng)設(shè)置 可編輯 word 文檔 6 3 3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 PCT II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 6 3 4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 流量 對(duì)象 水箱 主調(diào) 節(jié)器 調(diào)節(jié)閥 液位變送器 副調(diào) 節(jié)器 流量變送器 流量擾動(dòng) 副參數(shù) 主參數(shù) 主參數(shù)設(shè)定 圖 25 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 1 選擇控制系統(tǒng)的方案 上水箱液位和主回路流量 2 選擇主被控參數(shù) 副被控參數(shù) 打開手動(dòng)閥門 V2 V7 V10 3 選擇主副控制器 在恒壓供水條件下工作 按事先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)接線圖將 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線接好 4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的整定 先自整定副回路流量系統(tǒng) 待系統(tǒng)穩(wěn)定后再整定主回 路液位系統(tǒng) 最后串在一起整定 5 待系統(tǒng)穩(wěn)定后 上水箱液位加個(gè)給定 觀察計(jì)算機(jī)上流量和液位的曲線 的變化 并保存此曲線 6 系統(tǒng)穩(wěn)定后 分別在主副回路加個(gè)干擾信號(hào) 然后觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲 線的變化 6 3 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 與液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)相比較 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)流量擾動(dòng)的抑制大大增強(qiáng) 使 其對(duì)主參數(shù)的影響大大減小 因而串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間 回復(fù)時(shí)間 減少 最大動(dòng) 態(tài)偏差減少 控制性能分析 A 由于副回路的快速作用 可迅速克服進(jìn)入副回路的干擾 故選用 PI 作 用可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié) B 引入副回路減小了副對(duì)象的相位滯后 從而改善了主回路的響應(yīng)速度 這對(duì)克服進(jìn)入主副回路的干擾都是有利的 可編輯 word 文檔 C 串級(jí)控制系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的魯棒性 D 副回路可按主回路的要求對(duì)副變量進(jìn)行精確的控制 E 由于該串級(jí)系統(tǒng)有較大的滯后 故可以采用 PID 作用進(jìn)行有效的調(diào)節(jié) 6 4前饋反饋控制實(shí)驗(yàn)前饋反饋控制實(shí)驗(yàn) 6 4 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?通過設(shè)計(jì)前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的液位控制 掌握前饋反饋控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)組成 前饋量的選擇 控制參數(shù)的整定等方法 6 4 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 用實(shí)驗(yàn)的方法測試液位和流量的動(dòng)態(tài)特性 2 確定擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù) 對(duì)象控制通道的傳遞函數(shù) 3 用比值器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)前饋 前饋反饋的控制系統(tǒng) 4 整定前饋反饋控制系統(tǒng)參數(shù) 5 分析簡單控制系統(tǒng)與前饋反饋控制系統(tǒng)控制質(zhì)量 調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下 反饋調(diào)節(jié)器參數(shù)說明 DF 3回差值 Sn 331 5V 電壓輸入 Dip 0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0 Dil 0輸入下限顯示值 Dih 100輸入上限顯示值 Opl 4輸出 4 20mA 電流 CF 2 調(diào)節(jié)器反作用 有上電免除報(bào)警功能 無外部輸 入 Run 1自動(dòng)調(diào)節(jié) 允許手動(dòng)設(shè)置 6 4 3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器 PCT II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 6 4 4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖 可編輯 word 文檔 流量 對(duì)象 水箱調(diào)節(jié)器 液位變送器 流量變送器 流量擾動(dòng) 主參數(shù) 調(diào)節(jié)閥比例器 圖 26 前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖 1 設(shè)計(jì)控制方案 2 計(jì)算比值系數(shù) 3 完成恒壓供水系統(tǒng)接線 4 完成比值控制系統(tǒng)接線 5 將閥門 V2 V3 V9 V10 V7 打開 其余閥門關(guān)閉 6 接通總電源和各儀表電源 7 調(diào)節(jié) PCT II 面板上電位器 K1 可改變主副流量的比值 比值的范圍是 0 1 1 倍 8 控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 控制器的參數(shù)整定可按單回路或串級(jí)控制系統(tǒng)的 整定方法進(jìn)行 由于流量變化速度快 調(diào)節(jié)器不能整定出比較合理的參 數(shù) 需根據(jù)曲線來人工調(diào)整 9 系統(tǒng)穩(wěn)定后 改變主回路流量的大小 觀察副回路流量的變化 10 觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化 記錄并處理歷史曲線 11 改變比例器的比例系數(shù) 觀察流量的變化 6 4 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 與液位單閉環(huán)相比較 前饋反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間 回復(fù)時(shí)間 減少 最大動(dòng) 態(tài)偏差減少 控制性能分析 A 從前饋控制的角度 由于反饋 減輕了對(duì)前饋控制模型的精度要求 并可對(duì) 未作前饋補(bǔ)償?shù)母蓴_進(jìn)行校正 B 從反饋的角度 前饋控制事先起了一個(gè)粗調(diào)的作用 大大的減少了反饋的 負(fù)擔(dān) 可編輯 word 文檔 7總結(jié)總結(jié) 經(jīng)過為期將