雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)-----課程設計

1、 過程控制? 課程設計報告 題 目：雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 姓 名： _ 王飛 _ 學 號： 20216206 _ 專 業(yè)： _ 自動化 _ 年 級： 2021級 _ 指導教師： _ 李天華 _ 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 目 錄 1任務書 - 1 1.1設計題目 - 1 1.2設計任務 - 1 1.3原始數(shù)據(jù) - 2 1.4設計內容 - 2 2研究背景 - 3 3研究意義 - 4 4研究內容- 4 5論文組織- 5 5.1衰減曲線法整定主動量回路控制器參數(shù) - 5 5.2反響曲線法整定從動量回路控制器參數(shù) - 8 5.3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真及性能測試 - 11 5.4雙閉環(huán)比值

2、控制系統(tǒng)的抗十擾能力檢驗 - 13 6雙閉環(huán)比值控制與申級控制的區(qū)別， 以及各自的優(yōu)缺點 - 16 6.1雙閉環(huán)比值控制與申級控制的區(qū)別 - 16 6.2雙閉環(huán)比值控制的優(yōu)、缺點 - 17 6.3申級控制的優(yōu)、缺點 - 17 7總結 - 17 8參考文獻- 17 附錄：雙閉環(huán)比值控制最終整定結果Simulink圖18 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 1 1任務書 1.1設計題目 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 1.2設計任務 在現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關系； 一旦比 例失調，會影響生產的正常進行，影響產品質量，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚 至產生生產事故。如：燃燒過程

3、中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合 后送入爐膛；制藥生產中要求藥物和注入劑按比例混合； 造紙過程中為保證紙漿 濃度，要求自動控制紙漿量和水量比例；水泥配料系統(tǒng)等等。 但凡兩個或多個變量自動維持一定比值關系的過程控制系統(tǒng)， 統(tǒng)稱為比值控 制系統(tǒng)。 主動量：起主導作用而乂不可控的物料流量 Q1; 從動量-跟隨主動量而變化的物料流量 Q2; 比例系數(shù)：k=Q2 Q1 在生產過程中，根據(jù)工藝過程容許的負荷波動幅度、 干擾因素的性質和產品 質量的要求不同，實現(xiàn)對兩種物料流量比值的控制方案也不同： 開環(huán)比值控制系 統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由

4、一個定值控制的主動量控制回路和一個跟隨主動 量變化的從動量隨動控制回路組成，其流程圖和方框圖分別如圖1和圖2所示。 通過主動量控制回路能克服主動量干擾， 實現(xiàn)對主動量的定值控制；通過從動量 控制 回路抑制作用丁從動量回路的干擾， 從而使主、從動量均比擬穩(wěn)定，能保持 在一定的比值，使總物料量保持穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)常用丁負荷變化或總 的物料變化比擬平穩(wěn)的工業(yè)生產過程。 本次設計要求設計一個雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 2 (4)主動量回路和副動量回路均采用 PI控制規(guī)律; (5)主動量每隔100s變化，幅值分另U為3 1 4 2 1. 1.4設計內容 1、 采用衰減曲線

5、法整定主動量回路控制器參數(shù)； 2、 采用反響曲線法整定從動量回路控制器參數(shù)； 3、 在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中建立雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，并投入運行， 估計系統(tǒng)階躍響應曲線的超調量、上升時間和過渡過程時間； 4、 檢驗雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的抗干擾能力： 主動量和從動量分別改變 10%, 檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力。 GH() (10s 1)(20s 1) G.作)圖2雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖 圖1雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)流程圖 (3)從對象廣義傳遞函數(shù)為: G2(s)二 3 -5t e J 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 3 5、 分析雙閉環(huán)比值控制與申級控制的區(qū)別，以及各種的優(yōu)缺點。雙閉環(huán)比值控制

6、系統(tǒng)的分析與設計 4 2研究背景 在現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關系； 一旦比 例失調，會影響生產的正常進行，影響產品質量，浪費動力，造成環(huán)境污染，甚 至產生生產事故。如：燃燒過程中，往往要求燃料量與空氣量需按一定比例混合 后送入爐膛；制藥生產中要求藥物和注入劑按比例混合； 造紙過程中為保證紙漿 濃度，要求自動控制紙漿量和水量比例；水泥配料系統(tǒng)等等。 但凡兩個或多個變量自動維持一定比值關系的過程控制系統(tǒng)， 統(tǒng)稱為比值控 制系統(tǒng)。 主動量：起主導作用而乂不可控的物料流量 Q1; 從動量-跟隨主動量而變化的物料流量 Q2; 比例系數(shù)：k=Q2 Qi 在生產過程中，根據(jù)工藝過

7、程容許的負荷波動幅度、 干擾因素的性質和產品 質量的要求不同，實現(xiàn)對兩種物料流量比值的控制方案也不同： 開環(huán)比值控制系 統(tǒng)、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)、變比值控制系統(tǒng)。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是由一個定值控制的主動量控制回路和一個跟隨主動 量變化的從動量隨動控制回路組成，其流程圖和方框圖分別如圖3和圖4所示。 通過主動量控制回路能克服主動量干擾， 實現(xiàn)對主動量的定值控制；通過從動量 控制 回路抑制作用丁從動量回路的干擾， 從而使主、從動量均比擬穩(wěn)定，能保持 在一定的比值，使總物料量保持穩(wěn)定。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)常用丁負荷變化或總 圖3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)流程圖 圖4雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖

8、 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 5 3研究意義 通過Matlab軟件仿真雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，從而掌握雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的根本概 念，組成結構；通過仿真，掌握雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主動量回路和從動量控制回路的參數(shù) 整定。掌握工程軟件Matlab軟件的使用，為將來更深入的學習提供便利。 4研究內容 在MATLAB/SIMULINK環(huán)境整定雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)控制參數(shù)，其系統(tǒng)方框圖如圖5 所示 原始數(shù)據(jù)： (1) 要求比值控制系統(tǒng)的從動量跟隨主動量變化而變化，其中兩個流量儀表的信號比值 3 (4)王對象廠義傳遞函數(shù)為： GJs) = - e ; 15s 1 (4)主動量回路和副動量回路均采用 PI控制規(guī)

9、律； 主動量每隔100s變化，幅值分另U為3 1 4 2 1. 具體設計設計內容如下： 1、 采用衰減曲線法整定主動量回路控制器參數(shù)； 2、 采用反響曲線法整定從動量回路控制器參數(shù)； 3、 在MATLAB/SIMULINK 環(huán)境中建立雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，并投入運行，估計系 統(tǒng)階躍響應曲線的超調量、上升時間和過渡過程時間； 4、 檢驗雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的抗干擾能力：主動量和從動量分別改變 10%,檢驗系系數(shù): k= Q2 =4; QI (5)從對象廣義傳遞函數(shù)為: G2(S)= (10s 1)( 20s -5t e 圖5 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)方框圖 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 6 統(tǒng)的抗干擾能

10、力。 5、分析雙閉環(huán)比值控制與申級控制的區(qū)別，以及各種的優(yōu)缺點 5論文組織 按照整定雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的過程進行論文組織，每個整定局部都有詳細的整定過 程，響應曲線，測量參數(shù)以及結果分析，假設在整定過程中出現(xiàn)問題，均有記錄解決方法、 體會、經驗。 5.1衰減曲線法整定主動量回路控制器參數(shù) (1) 在Simulink中建立主動量回路閉環(huán)系統(tǒng)，在純比例控制器的作用下給定單位階躍 響應。如圖1所示。 Step ID vaLuift1 FL眼L value: h Sajrple tine: E1U.6 d 2 AlO CTOEEiriE ddlfiiCllGTL 0K Cutcfl 也比 卻pL 雙閉

11、環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 7 2 置比例控制器的比例帶a為較大的數(shù)值，即比例增益 K為較小的數(shù)值。對設定值 施加一個階躍擾動，然后觀察系統(tǒng)的響應。假設響應振蕩太快，就減小比例帶 a ；反之，那么 增大比例帶a。如此反復，知道出現(xiàn)衰減比n=4:1的振蕩過程。記錄下此時的比例帶記 為&，以及響應的衰減振蕩周期Tso 3 當a =1.189時，出現(xiàn)衰減比n=4:1的振蕩過程：如圖11所示 圖9主對象廣義傳遞函數(shù)延退時間設定 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 8 比例帶：1/ ；s =1.189 衰減振蕩周期 Ts: Ts=36.42-12.42=24s 衰減比：n=(1.2491-0.781

12、0)/(0.8979-0.7810)=4.0043 代入衰減曲線法整定計算公式(表1),得PI控制器的參數(shù)為(衰減率中=0.75為指標)： Kp,1/a =1/(1.2 &s)=1.189 士 1.2=0.9908 TI =0.5Ts=0.5 X 24=12s 控制規(guī)那么 控制器參數(shù) a TI TD P &s PI 1.2 5s 0.5 Ts PID 0.8 5s 0.3 Ts 0.1 Ts 表格1衰減曲線法整定計算公式W =0.75 將Kp=0.9908, TI =12s置入PI控制器中，給定階躍響應，觀察響應。同時調整參 數(shù)，知道響應曲線滿意為止。 圖12 整定后的主動量回

13、路閉環(huán)系統(tǒng)框圖 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 9 主動量回路性能指標： 圖13 主動量回路階躍響應 超調里 (1.5973-1 ) /1=59.73% 衰減率 (1.5973-1)-(1.255-1)/(1.5973-1)=79% 調整時間主5 49.194s 結論：由衰減曲線法整定的 PI參數(shù)能夠得到較滿意的性能指標 5.2反響曲線法整定從動量回路控制器參數(shù) 1如圖 14所示，對給定的從對象廣義傳遞函數(shù)進行單位階躍響應測試, 測取從對象廣義過程的比例增益 K。，延遲時間。，時間常數(shù)T。； i- _ hb 3 _ Ihu 1 A _ o 10s+1 20s+1 Step Transfer F

14、cn2 Transfer Fcn Transport Scope Delay 圖14 從對象廣義過程 2觀察響應曲線，可知系統(tǒng)由自衡能力，且KO=3；根據(jù)兩點計算法公式得延遲時間 , 時間常數(shù)TO : * _ _ _ _ _ _ y t=0.852/3 =0.284,t1 =21.25s; * y 他F.896/3 =0.632,t2 =37.72s; *一 一 一 一 _一_ _ y 偶F.179/3 =0.393也=25.76s;雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 10 * _ _ _ _ _ _ _ _ y (t4) =1.65/3 =0.55,t4 = 33.04s； * 、 _ _ _

15、- y (t5) =2.595/3 =0.865,t5 = 59.135s ; T01 =1.5(t2 -t1) =1.5 (37.72 -21.25) =24.705s； T02 =2(t2-t3) =2 (37.72 -25.762) =23.916s； T03 =& -t4)/1.2 =(59.135 -33.04)/1.2 =21.746s 時間常數(shù)：T0 =(T01 T02 T03)/3 =(24.705 23.916 21.746)/3 =23.456s； 0 0 1 02 03 01=0.3(3t2 t1) =0.3 (3 21.25 37.72) =7.809s; 02

16、=2t3 -t2 =2 25.762 -37.72 =13.804s; 03=(2.5t4 t5)/1.5 =(2.5 33.04 -59.135)/1.5 = 15.64s ; 延遲時間:0 =(.01 .02 .03)/3 =(7.809 13.804 15.64) = 12.418s . 綜上：K=3, T=23.456s, TO=12.418S. (3) 由自衡過程的整定計算公式 W =0.75(表2),得控制器的PI參數(shù)為: T0/T0 =12.418/23.456 =0.529; -0.08 -0.08 比例度：、. =26 - =2.6K0 , - =2.6 3 0.6 0 0.

17、6 TO TO 比例增益：K =1/、.=0.322; 積分時間: 0.8丁0 =0.8 23.456 = 18.7648s 調節(jié) 規(guī)律 GC (s) T 0.2 TO 0.2 - P TO 3.3 T -0.08 2.6 TO - P T 十 0.6 TO 0.8 T 0 PID (1 1 1+L+TDS 1 TIs ) 0.85 T - - P TO 2 T 0.5 T T -0.15 2.6 TO - - P T + 0.8 TO 0.81 T 0 +0.19 T 0.25T 1 d 12.418 CM 0.08 23.456 - =3.1037 12.418 0.6 23.456 雙閉

18、環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 11 表2 W =0.75過程有自衡能力時的整定計算公式雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 12 (4) 將K =0.322,L =18.7648s置入PI控制器中，給定階躍響應，觀察響應。同時調 整參數(shù)，知道響應曲線滿意為止。 圖16 整定后的從動量回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖 圖17單位階躍響應 主動量回路性能指標： 超調里 (1.1747-1 ) /1=17.47% 衰減率 (1.1747-1)-(1.0045-1)/(1.1747-1)=97.42% 調整時間(琢5) 86.44s 結論：此組由響應整定的PI參數(shù)控制的系統(tǒng)調整時間過長， 衰減率過大，將影響控制的及 時性。1

19、3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 5.3雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真及性能測試 如圖18建立雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，主，從控制器的 PI參數(shù)為上述整定的參數(shù)，即: 主動量回路控制器：Kp=0.9908,Ti=12s 從動量回路控制器：Kp=0.322,Ti=18.7648s 圖18雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng) 圖19雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)響應 主動量每隔100s變化，幅值分別為3 1 4 2 1 從響應曲線可以看到：從動量回路時間常數(shù)較大，響應不夠及時，且超調量較大，控 制控制效果不夠理想雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 14 分析原因，主動量回路的響應振蕩較劇烈，而從動量回路施加上是一個隨動系統(tǒng)，導 致從動量回路響

20、應振蕩也較劇烈，乂因時間常數(shù)較大，在設定值變化之前其響應無法到達 穩(wěn)態(tài)值。因此將主動量的比例增益減小，減小振蕩程度，對從動量的PI控制參數(shù)進行仿佛 調整。最終整定如下參數(shù)圖 20: 主動量回路控制器：Kp=0.8,Ti=15s 從動量回路控制器：Kp=0.38,Ti=28s 能夠得到較滿意的響應圖21 圖20雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)調整后 圖21雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)響應調整后 主動量每隔100s變化，幅值分別為3 1 4 2 1 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 15 * 3 11 ShfMJ Fc-ft3 q r- r T idrrrim Fra 1 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)性能指標： 性能指標 主動量回路

21、 從動量回路 超調里 30.16% 4.28% 上升時間 5.035s 25.89s 調整時間蘭5 34.85s 41.6s 5.4雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的抗干擾能力檢驗 主動量和從動量分別改變 10%,檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力 m- 1 TurtfpQ 而 gw WrkrFE TnfrHn Tiarepori 圖22從動量改變10% 圖23系統(tǒng)響應從動量改變 10% 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 16 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 17 圖24系統(tǒng)響應局部放大從動量改變 10% 圖25主動量改變10%雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 18 圖26系統(tǒng)響應主動量改變 10% 圖27系統(tǒng)響應局部放大主動量改變 10% 結論：主、從動量分別改變10%,系統(tǒng)沒有引起較大超調，且能夠快速穩(wěn)定，抗干擾能力較 強。 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的分析與設計 19 6雙閉環(huán)比值控制與串級控制的區(qū)別，以及各自的優(yōu)缺點 6.1雙閉環(huán)比值控制與串級控制的區(qū)別： 雙閉環(huán)比值控制與申級控制的區(qū)別主要表達在： 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結構框圖如圖 28所示： 圖28雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的結構框圖 它是由一個定制控制系統(tǒng)的主動量控制