過程控制課程設(shè)計(jì)(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要串級控制系統(tǒng)是隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程日趨強(qiáng)化，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。在生產(chǎn)過程中的常規(guī)控制中，串級控制系統(tǒng)是提高過程控制品質(zhì)非常有效的方案之一，因此，得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)高級過程控制課程學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)要求，選取雙容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是用PID控制方法整定出適合的參數(shù)，從而使被控系統(tǒng)的水箱液位達(dá)到穩(wěn)定。本文的設(shè)計(jì)思路是在已知控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上利用Matlab進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，選取最佳的整定參數(shù)，同時(shí)加入了單回路控制系統(tǒng)的仿真，以便于串級控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行對比，從而證明串級控制系統(tǒng)的優(yōu)

2、越性和不可比擬性。通過本文，能夠從大體上了解過程控制的內(nèi)涵，認(rèn)識串級控制系統(tǒng)，對今后的學(xué)習(xí)裨益良多。關(guān)鍵詞： 串級控制； 雙容水箱； Matlab；階躍響應(yīng)；一、設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)任務(wù)：雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。需要設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求及設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)要求：1） 已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：，。根據(jù)上下水箱的傳遞函數(shù)畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾

3、作用下的動態(tài)過程進(jìn)行仿真（可假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn)10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；2） 針對雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制，畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對PID參數(shù)進(jìn)行整定，再對仿真結(jié)果進(jìn)行評述；3） 針對該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級控制方案，畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行評述。本次給定液位控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)已知及所學(xué)有關(guān)高級過程控制的知識進(jìn)行設(shè)計(jì)。過程控制系統(tǒng)建模的兩個基本方法（1）機(jī)理建模法（2）測試建模法。本文中，我們已經(jīng)明白被控系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，并且可以比較準(zhǔn)確

4、度的對其加以數(shù)學(xué)描述，故采用機(jī)理建模法。在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立起來后，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證整個控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、快速性。單回路控制方案以及串級控制方案的理論比較串級控制系統(tǒng)是由兩個控制器串聯(lián)工作的，雖然串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比單回路控制系統(tǒng)多了一個副回路，但是對于同樣的干擾，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量是單回路控制系統(tǒng)所無法比擬的。由于副回路的存在，減小了對象的時(shí)間常數(shù)，縮短了控制通道，是控制作用更加及時(shí)。提高了系統(tǒng)的工作頻率，是振蕩周期減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)了。對二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力，對克服一次干擾的能力也有一定的提高。對負(fù)荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力。三

5、、系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程1.未加干擾的雙容水箱液位開環(huán)系統(tǒng)框圖及Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線階躍響應(yīng)曲線如下：2.加入干擾的開環(huán)系統(tǒng)框圖及Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線加入干擾的開環(huán)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如下：由圖可知，開環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，尤其是干擾加入到回路中時(shí)，系統(tǒng)很難得到比較穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)值，y總是不停的波動。而未加入干擾的的開環(huán)控制系統(tǒng)的控制效果大體令人滿意，但是否合理，仍需進(jìn)行下一步的工作。3. 未加干擾的雙容水箱液位單回路控制系統(tǒng)框圖及Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線單回路控制系統(tǒng)Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線如下所示：該步驟主要是針對單回路上的PID控制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過經(jīng)驗(yàn)整定法，對

6、PID控制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過不停的改變整定參數(shù)值，并觀察調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)輸出狀況來判斷參數(shù)值的合理性，直到得到比較滿意的階躍響應(yīng)曲線。通過多次對比，單回路控制系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)如下：P=15 ，I=1 ，D=104. 加入干擾的雙容水箱液位單回路控制系統(tǒng)框圖及Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線加入干擾的單回路控制系統(tǒng)Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線如下：由以上階躍響應(yīng)曲線的對比可以看出，單回路控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)有一定的超調(diào)，而開環(huán)控制系統(tǒng)則沒有超調(diào)出現(xiàn)，但系統(tǒng)能夠比較快速的到達(dá)穩(wěn)態(tài)。這都是因?yàn)橄到y(tǒng)將輸出通過反饋通道送至比較器，并產(chǎn)生了偏差信號，使得PID控制器有了自己的輸出，從而控制調(diào)

7、節(jié)閥的動作，盡量減少系統(tǒng)的不穩(wěn)地因素，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性。但還有一個明顯的現(xiàn)象，就是當(dāng)系統(tǒng)加入擾動后，系統(tǒng)的快速性基本沒有太大的變化，但穩(wěn)定性有了顯著地變化，y總是無法達(dá)到穩(wěn)定值，并且不停的波動。由此可知，單回路控制系統(tǒng)并不能很好的克服外部干擾的影響。于是，進(jìn)行下一步的探索。利用串級控制系統(tǒng)，看能否借解決上述問題。5.未加入干擾的串級控制系統(tǒng)框圖及Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線在串級控制系統(tǒng)中，由于主控制器已經(jīng)選用PID調(diào)節(jié)器，而控制副參數(shù)主要是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不是很嚴(yán)格，故在此選用比例調(diào)節(jié)器并選取上水箱液位作為副變量構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。經(jīng)過一定范圍的嘗

8、試，我選定P的整定參數(shù)為30。未加入干擾的串級控制系統(tǒng)Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線如下所示：為使系統(tǒng)有較好的階躍響應(yīng)曲線，同樣，對于串級控制系統(tǒng)的主控制器的PID參數(shù)的整定方法仍然是經(jīng)驗(yàn)整定法，整定的過程同單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定大體相同，在此就不再重復(fù)。進(jìn)過對不同的PID參數(shù)的下階躍響應(yīng)曲線的對比，得到主控制器的PID參數(shù)分別為：P=16 ，I=3 ，D=86.加入干擾的串級控制系統(tǒng)框圖及Matab仿真的階躍響應(yīng)曲線加入干擾的串級控制系統(tǒng)Matlab仿真的階躍響應(yīng)曲線如下所示：由步驟5、6可以看出，在串級控制系統(tǒng)的作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了進(jìn)一步的提高，且快速性也基本滿足要求，同時(shí)，在干擾的

9、作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性基本沒有產(chǎn)生變化，而且比單回路控制系統(tǒng)不加干擾的時(shí)候的振蕩環(huán)節(jié)還要小。很明顯，串級控制系統(tǒng)滿足了快速性、準(zhǔn)確定、穩(wěn)定性的要求，同時(shí)還具有良好的抗干擾性和自適應(yīng)能力。總 結(jié)通過本次課程論文，我對過程控制系統(tǒng)這門課程的理解更深了，特別是對串級控制系統(tǒng)理解和應(yīng)用又上了一個新的臺階。對所學(xué)知識的理論聯(lián)系實(shí)際使我對所學(xué)知識有了全面的認(rèn)識，在這個基礎(chǔ)上我積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，相信會對今后的學(xué)習(xí)生活有一定的幫助。在串級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于我所掌握的知識比較淺薄，沒有深層次的理解PID的作用機(jī)理和參數(shù)整定方法，所以不能得到較好的設(shè)計(jì)結(jié)果，但在與同學(xué)們的交流過程中，我學(xué)到了一些以前不知道的東西，對此次設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極大地幫助。在用軟件進(jìn)行仿真的過程中，我對