《過程控制技術》課程設計-水箱液位與進水流量前饋反饋控制系統(tǒng)的設計與仿真

1、設 計 任 務 書過程控制技術課程設計設 計 題 目： 水箱液位和進水流量前饋反饋控制系統(tǒng) 學 院： 機電工程學院 學 號： 專業(yè)（方向）年級： 14電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 福建農林大學機電工程學院電氣工程系2017年 7月 1日過程控制技術課程設計任務書全套設計加扣 30122505821、 設計題目液位流量前饋反饋設計與仿真2、 主要內容1、以THJ-3高級過程控制實驗對象系統(tǒng)的下水箱液位作為為研究對象，進水流量為主要的擾動，設計出合理的控制方案。利用MATLAB的曲線擬合的方法分別得出系統(tǒng)系統(tǒng)中的下水箱液位的傳遞函數以及進水流量為主要的擾動的傳遞函數。2、利用MATLAB的

2、Simulink搭建水箱液位與進水流量前款反饋控制系統(tǒng)。3、整定控制器的PID參數，并給出整定后的階躍響應曲線并進行分析，得出結論。（進水流量為主要擾動）三、設計要求1、分析控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，建立被控對象的數學模型。2、根據其數學模型，選擇控制方案3、在Matlab上進行模型的搭建與仿真，整定調節(jié)器參數。4、根據整定的參數，得出控制效果曲線，并對結果進行比較分析，得出結論。四、設計步驟1、查找資料，了解和分析題目所要求具體工程項目控制的過程。2、設計實驗方案，給出實驗接線圖。得出對象的數學模型。3、在Matlab上進行模型的搭建與仿真，分析仿真曲線，得出結論4、編寫設計說明書。五、設

3、計說明書要求1、完整的設計任務書。2、查找文獻資料，闡述設計的目的和意義。3、被控對象簡介，控制方案的選擇（被控參數選擇、控制參數選擇、測量變送器的選擇，執(zhí)行器的選擇、控制器的選擇、控制規(guī)律的選擇等），給出實驗線路。5、被控對象數學模型的建立。6、在Matlab上進行模型的搭建與仿真。7、結論。8、設計體會（可選）.9、參考文獻. 2017年 7月 3日至 2017 年 7月 7日（1周）指導教師 設 計 說 明 書過程控制技術課程設計設 計 題 目： 水箱液位與進水流量前饋反饋控制系統(tǒng)的設計與仿真 學 院： 機電工程學院 學 號： 專業(yè)（方向）年級： 14電氣工程及其自動化 學 生 姓 名：

4、 福建農林大學機電工程學院電氣工程系2017 年 7月7日目錄目錄11、設計任務分析11.1背景11.2設計內容及目的12、控制系統(tǒng)總體方案設計22.1 水箱液位與進水流量前饋反饋控制系統(tǒng)對象簡介22.2 控制系統(tǒng)的方案選擇22.2.1被控參數及控制參數的選擇22.2.2測量變送器的選擇32.2.3執(zhí)行器的選擇32.2.4控制器的選擇33、被控對象數學模型的建立43.1 被控對象數學模型的建立的方法簡介43.2 被控對象數學模型的建立44、在Matlab上進行模型的搭建與仿真64.1 在Matlab上進行模型的搭建64.2 控制器的參數整定64.2.1臨界比例度整定方法74.2.2臨界比例度整

5、定方法84.3 整定后的階躍響應曲線85、結論101、設計任務分析1.1背景在人們生活以及工業(yè)生產等諸多領域經常涉及到液位和流量的控制問題,例如居民生活用水的供應,飲料、食品加工,溶液過濾,化工生產等多種行業(yè)的生產加工過程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要維持合適的高度,既不能太滿溢出造成浪費,也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是對一水箱液位控制系統(tǒng)的設計過程，涉及到液位的動態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID算法、

6、傳感器和調節(jié)閥等一系列的知識。作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)，其模型為一階慣性函數，控制方式采用了PID算法，調節(jié)閥為電動調節(jié)閥。選用合適的器件設備、控制方案和算法，是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對諸如控制精度、調節(jié)時間和超調量等控制品質的要求。1.2設計內容及目的設計供水水箱的液位控制系統(tǒng)，要求在采用儀表控制的情況下，設計一個單回路控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用PID調節(jié)器。各環(huán)節(jié)選用適當的儀表和器件，設計控制系統(tǒng)的控制方式，確定控制器參數，并可以通過實驗加以驗證。分析不同控制方式的控制規(guī)律和在不同控制方式下系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)在上下水流量發(fā)生變化時，能快速恢復到設定值。2、控制系統(tǒng)總體方案設計2.1 水箱液位與進

7、水流量前饋反饋控制系統(tǒng)對象簡介以THJ-3高級過程控制實驗對象系統(tǒng)簡介（實驗指導書）本課程設計對水箱液位控制系統(tǒng)的設計是一個簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用相同的方框圖表示：2.2 控制系統(tǒng)的方案選擇方案選擇包括被控參數選擇、控制參數選擇、測量變送器的選擇，執(zhí)行器的選擇、控制器的選擇、控制

8、規(guī)律的選擇等2.2.1被控參數及控制參數的選擇被控參數的選擇是控制系統(tǒng)的核心問題，被控參數選擇的正確與否是決定控制系統(tǒng)有無價值的關鍵。對于任何一個控制系統(tǒng)，總是希望其能夠在穩(wěn)定生產操作、增加產品產量、保證生產安全及改善勞動條件等方面發(fā)揮作用，如果被控變量學則不當，配備再好的自動化儀表，使用在復雜、先進的控制規(guī)律也無用的，都不能達到預期的控制效果。對于水箱液位控制系統(tǒng)，其被控變量是顯而易見的，液位就是其被控參數，是直接參數控制。2.2.2測量變送器的選擇測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產過程中的參數經過檢測、變送單元轉換成標準信號。壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位

9、進行檢測，其量程為05KP，精度為0.5級。采用工業(yè)用的擴散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離技術，對傳感器溫度漂移跟隨補償。采用標準二線制傳輸方式，工作時需提供24V直流電源，輸出：420mADC。2.2.3執(zhí)行器的選擇1電動調節(jié)閥：采用智能直行程電動調節(jié)閥，用來對控制回路的流量進行調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、技術先進、體積小、重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點，電源為單相220V，控制信號為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅動泵，型號為

10、16CQ-8P，流量為30升/分，揚程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動。3電磁閥：在本裝置中作為電動調節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號為：2W-160-25 ；工作壓力：最小壓力為0Kg/2，最大壓力為7Kg/2 ；工作溫度：580；工作電壓：24VDC。 2.2.4控制器的選擇控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，它將安裝在生產現場的測量變送裝置送來的測量信號與設定值進行比較產生偏差，并按預先設置好的控制規(guī)律對該偏差進行預算，產生輸出型號去操縱執(zhí)行器，從而實現對被控制

11、變量的控制。選用PID控制器，其控制規(guī)律：理想比例積分微分控制規(guī)律PID的表達式： 雖然微分作用對于克服容量滯后有顯著的效果，但對克服純滯后是無能為力的。在比例作用的基礎上加上微分作用能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，再加入積分作用可以消除余差。所以適當調整d、IT、DT三個參數，可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質量。由于，PID控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點，既能快速進行控制，有能消除偏差，還可以根據被控制變量的變化趨勢超前動作，具有較好的控制性能，所以在實際應用中得到廣泛應用。3、被控對象數學模型的建立3.1 被控對象數學模型的建立的方法簡介該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原

12、有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號作用下自動的非震蕩地穩(wěn)定到一個新的穩(wěn)態(tài)，這一大類是在工業(yè)生產過程中最常見的過程。3.2 被控對象數學模型的建立1）確定過程的輸入變量和輸出變量如下圖所示，流入水箱的流量1F是由進料閥1來控制的；流出水箱的流量2F取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進料流量1F是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量2F是外部擾動。本設計以進料流量1F作為輸入變量。（2）根據過程內在機理，列寫原始方程根據物料平衡關系，當過程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是，水箱液位保持不變，其靜態(tài)方

13、程為：10F-20F=0（16），10F、20F分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進料流量和出料流量，當進料流量1F突然增大是，水箱原來的平衡狀態(tài)被破壞，此時進料量大于出料量，多余的液體在水箱內儲存起來，使其液位升高。設水箱液體的儲存量為V，則單位時間內出料流量與進料流量之差等于水箱液體儲存量的凈增量。其動態(tài)方程為：分別為1F和2F的增量。設水箱截面積為A，則有V=AL，其增量形式為dV=AdL，即：將得將式（19）減去式（16）可得用新增量形式表示的動態(tài)方程式，為：（3）消去中間變量，簡化，求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量。式（110）中，為中間變量

14、。與輸出變量L的關系可表示為：當只考慮液位與流量均在有限小的范圍內變化式，就可以認為出料流量與液位變化呈線性關系。將式（111）改寫成增量形式：則有： 將式（112）代入式（110）中，即得 式（113）即為水箱液位過程的數學模型。由此可見，這是一個一階微風方程，液位過程為一階過程。將該式寫成的一階過程的微風方程的標準形式：或 T為一階過程的時間常數，RCT=,具有時間量綱；K為一階過程的放大系數，具有放大倍數的量綱；y（t）為一階過程的輸出變量；X（t）為一階過程的輸入變量；R為阻力系數，R=液位的變化量/出料流量的變化量；C為容量系數，C=儲存的物料變化量/液位的變化量。當被控變量的檢測地

15、點與產生擾動的地點之間由一段物料傳輸距離時，就會出現滯后。在控制過程中，若進料閥安裝在與水箱進料口有一段距離，則當進料閥開度變化而引起進料流量變化后，液體需要經過一段傳輸時間才能流入水箱，使液位發(fā)生變化并被檢測出來。顯然液體流經這段距離所需時間完全是傳輸滯后造成的。純滯后一階過程的微風方程為：具有純滯后的一階過程的特性與放大系數K、時間常數T和純滯后時間0t有關綜上所述，水箱液位控制系統(tǒng)是一個一階自衡過程，其特性可用放大系數K、時間常數T和純滯后時間這三個特性參數來全面表征。4、在Matlab上進行模型的搭建與仿真4.1 在Matlab上進行模型的搭建4.2 控制器的參數整定臨界比例度法第一步

16、是獲取系統(tǒng)的等幅振蕩曲線，在Simulink中，在反饋連線，微分器的輸出連線，積分器的輸出連線全部斷開，KP的值從小到大試驗，每次仿真后，觀察示波器的輸出，直到得到等幅振蕩曲線，如圖：由圖可知，TS=50；根據PID參數的公式可得KP=0.325/1.7，TI為1/0.5/50，TD為0.125*50。然后連接。仿真運行。波形如4.3.4.2.1臨界比例度整定方法臨界比例度法。該方法需要做穩(wěn)定邊界實驗，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經驗公式確定PID參數。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的

17、臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進行參數整定，臨界參數的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實現穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。對一階慣性加純遲延的對象，時間常數T較大時，整定費時;對干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。二)臨界比例度法圖3-4 具有周期TS的等幅振蕩這種整定方法是在閉環(huán)情況下進行的。設TI=，TD=0，使調節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應呈現等幅振蕩，如圖3-4所示。根據臨界比例度k和振蕩周期TS，按表3-2所列的經驗算式，求取調節(jié)器的參考參數值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標。

18、表3-2 臨界比例度法整定調節(jié)器參數 調節(jié)器參數調節(jié)器名稱TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS臨界比例度法的優(yōu)點是應用簡單方便，但此法有一定限制。首先要產生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動，其次是受控對象應是二階和二階以上或具有純滯后的一階以上環(huán)節(jié)，否則在比例控制下，系統(tǒng)是不會出現等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時，應特別注意控制閥出現開、關的極端狀態(tài)4.2.2臨界比例度整定方法選用臨界比例度方法，其他上述已經介紹。4.3 整定后的階躍響應曲線4.4 加入前饋控制后的Matlab上進行模型的搭建調節(jié)各種整定參數后的階躍響應曲線如下：從兩張圖可以看出加入前饋控制后，干擾明顯變小。5、結論通過這次設計使我明白到有些東西看上去非常簡單，當自己置身其中去做時，并不容易了。在課程設計的這段時間里，我也發(fā)現了自己所應該改進或是較為缺乏的部分，其一是分析問題的能力：可能是自己學習的不夠扎實，實習中碰到了不少釘子，遇到問題時頭腦很茫然；二是解決問題的成熟度：這也許是個性使然，再加上缺少經驗