《火電廠熱工自動控制技術及應用》課程設計

1、<p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　( 2008 -- 2009 年度第 二 學期)</p><p>　　名 稱： 過程控制系統(tǒng) </p><p>　　題 目： 單回路參數整定 </p><p>　　院 系： 控制科學與工程學院 </p&

2、gt;<p>　　班 級： 測控0603班 </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　設計周數：

3、 </p><p>　　成 績： </p><p>　　日期： 2009 年 7 月 3日</p><p>　　《火電廠熱工自動控制技術及應用》課程設計</p><p><b>　　任 務 書</b></p><p>&l

4、t;b>　　一、 目的與要求</b></p><p>　　通過對單回路控制系統(tǒng)分析和參數整定的具體設計，使學生加深對所學課程的理解以及應用。</p><p>　　培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。</p><p>　　培養(yǎng)學生對火電廠控制系統(tǒng)參數整定的基本設計能力。</p><p>　　要求學生掌握matlab語言的基本使用

5、方法。</p><p><b>　　二、 主要內容</b></p><p>　　選定課程設計參考題目。</p><p>　　對要求的參數整定系統(tǒng)進行設計，畫出系統(tǒng)結構框圖、原理圖。</p><p>　　用所設計的單回路系統(tǒng)參數整定方案對實際系統(tǒng)進行測試，并觀察受控后的系統(tǒng)是否符合穩(wěn)、準、快的調節(jié)要求。</p>

6、<p>　　寫出設計報告，要求文字整潔、語言通順、制圖規(guī)范、程序完整正確。</p><p><b>　　三、 進度計劃</b></p><p><b>　　四、 設計成果要求</b></p><p>　　系統(tǒng)設計合理，軟件編程達到設計要求。</p><p>　　系統(tǒng)結構圖和軟件流程圖繪

7、制清楚規(guī)范。</p><p><b>　　設計報告完整規(guī)范。</b></p><p><b>　　學生姓名：</b></p><p><b>　　指導教師：劉禾</b></p><p>　　2009年 7 月 3 日</p><p><b>

8、　　一、課程設計題目：</b></p><p>　　給定被控對象參數，選擇PID控制器比例系數KP，積分時間Ti ，微分時間Td ，使被控對象在輸入出現擾動的情況下能夠達到既定要求的控制曲線。</p><p><b>　　二、課題分析：</b></p><p>　　1、控制系統(tǒng)的參數整定可分為理論計算法和工程整定法，理論計算方法是基

9、于一定的性能指標，結合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，通過理論計算求得控制器的動態(tài)參數設定值，這種方法比較復雜繁瑣，使用不方便，因此一般僅作參考，而工程整定法則是源于理論分析，結合實驗，工程實際經驗等一套工程上的方法，較為簡單，易掌握。</p><p>　　2、要求：（1）通過參數整定選擇合適的參數，首先要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，這是最基本的要求。</p><p>　?。?）在熱工生產過程中，通常要求控制

10、系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度，即要求過程有一定的衰減比，一般要求4：1~10：1</p><p>　?。?）在保證穩(wěn)定的前提下，要求控制過程有一定的快速性和準確性，所謂準確性就是要求控制過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差盡量小，而快速性就是要求控制過程的時間盡可能短。</p><p>　　圖（1）單回路控制系統(tǒng)組成原理方框圖</p><p>　　根據圖（1）的原理圖，我們可以將整個單

11、回路控制系統(tǒng)簡化為圖（2）的系統(tǒng)方框圖。</p><p><b>　　圖（2）</b></p><p>　　圖中Gc（s）為控制器傳遞函數，可以用下圖（3）所示的PID控制器結構圖表示。</p><p>　　上圖為典型的PID控制系統(tǒng)結構圖。在PID調節(jié)器的作用下，對誤差信號分別進行比例、微分、積分組合控制，調節(jié)器的輸出作為被控對象的輸入控制量

12、。</p><p>　　PID控制算法的模擬表達式為：</p><p>　　相應的傳遞函數為： </p><p>　　式中 Kp為比例系數 ； Ti 為積分時間常數； Td 為微分時間常數。</p><p>　　在傳統(tǒng)的PID調節(jié)器中，確定KP、Ti、Td 3個參數的值，是對系統(tǒng)進行控制的關鍵，因此，在控制最主要的問題是參數的整定問

13、題，在PID參數進行整定時，若是理論方法確定PID參數當然是最為理想的，但實際應用中，更多的是通過試湊來確定PID的參數。而利用matlab強大的仿真工具箱的功能，可以方便的解決整定的問題。</p><p>　　三、PID控制分析。</p><p>　　假設被控對象參數為 </p><p>　　3.1 P控制作用分析 。</p><p>

14、　　設Td=0 ，Ti= ，Kp=3~4 。輸入信號為階躍函數，根據結構圖，進行matlab程序仿真如下：</p><p><b>　　%P控制作用程序</b></p><p>　　運行M文件可得到如下圖形：</p><p>　　3.2 比例積分控制作用分析</p><p>　　設Kp=3，討論Ti =2~6 時對系統(tǒng)階

15、躍響應曲線的影響</p><p>　　%比例積分控制作用程序</p><p>　　運行程序后得到下圖：</p><p>　　3.3 比例積分微分控制作用分析</p><p>　　設Kp=3，Ti=4，討論Td=0.01~0.1時對系統(tǒng)階躍響應曲線的影響。</p><p>　　%比例積分微分作用程序</p>

16、<p><b>　　運行程序得下結果：</b></p><p>　　初步分析得到下列結論：</p><p>　　增大比例系數Kp將加快系統(tǒng)的響應，有利于減小靜差，但是過大會使系統(tǒng)有較大的超調，使穩(wěn)定性變壞，Kp取值過小，會使系統(tǒng)的動作緩慢。</p><p>　　增大積分時間常數Ti有利于減小超調，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)

17、靜差消除時間變長，若Ti過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　增大微分時間Td有利于加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)超調量減小，穩(wěn)定性增加，但是Td不能過大，實際系統(tǒng)無法達到要求（上訴設計是理想的微分模型，所以如果實際的微分模型在Td過大時會使超調量增加，調節(jié)時間變長），若Td過小，同樣超調量也增加，調節(jié)時間也較長。</p><p>　　四、Ziegler—Nic

18、hols整定方法。</p><p>　　在實際的過程控制系統(tǒng)中，如果數據時通過階躍響應來獲得的，且多數控制系統(tǒng)可以由公式G（s）= 來近似表示，我們可以由(表一)中給出的經驗公式來設計PID控制器，如果數據是通過頻域響應獲得的，先畫出其對應的Nyquist曲線，可以得到系統(tǒng)的剪切頻率Wc和極限增益KC，同樣，可以有(表一)給出的經驗公式獲得PID控制器的參數。</p><p><b

19、>　　（表一）</b></p><p>　　(1) 設想對被控對象（開環(huán)系統(tǒng)）施加一個階躍信號，通過實驗方法，測出其相應信號，如下圖所示,則輸出信號可由圖中的形狀近似確定參數K（靜態(tài)放大系數），(l)（滯后時間），和Tm（時間常數），獲得上述參數后就可以根據表一得出控制器的參數。</p><p>　　圖中L表示 ，Tm表示T 。</p><p>　

20、　舉例：某個控制系統(tǒng)的對象參數為：G（s）= ，求取其P、PI、PID 控制的響應曲線。</p><p>　　Matlab程序如下：</p><p><b>　　K=1;</b></p><p><b>　　T=15;</b></p><p><b>　　tao=5;</b>&

21、lt;/p><p><b>　　num0=1;</b></p><p>　　den0=[15 1];</p><p>　　[num1,den1]=pade(tao,3); %生成純延遲環(huán)節(jié)的3階近似傳遞函數模型</p><p>　　num=conv(num0,num1);</p><p>　　den

22、=conv(den0,den1);</p><p>　　G=tf(num,den); %生成開環(huán)傳遞函數</p><p>　　s=tf('s'); %定義拉普拉斯變量因子</p><p><b>　　%P控制其設計</b></p><p>　　PKp=T

23、/(K*tao);</p><p>　　GK1=PKp*G;</p><p>　　sys1=feedback(GK1,1,-1);</p><p>　　step(sys1,'k') %求p控制作用下系統(tǒng)單位階躍響應，線形為黑色連線</p><p>　　gtext('P')</p>&l

24、t;p><b>　　pause</b></p><p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　%PI控制器設計</b></p><p>　　PIKp=0.9*T/(K*tao);</p><p>　　PITi=3*tao;</p>

25、<p>　　Gc2=PIKp*(1+1/(PITi*s));</p><p>　　GK2=Gc2*G;</p><p>　　sys2=feedback(GK2,1,-1);</p><p>　　step(sys2,'b--') %求PI控制作用下系統(tǒng)單位階躍響應，形為藍色虛線</p><p>　　gtext

26、('PI')</p><p><b>　　pause</b></p><p><b>　　hold on</b></p><p><b>　　%PID控制器設計</b></p><p>　　PIDKp=1.2*T/(K*tao);</p><

27、p>　　PIDTi=2*tao;</p><p>　　PIDTd=0.5*tao;</p><p>　　Gc3=PIKp*(1+1/(PITi*s)+PIDTd*s);</p><p>　　GK3=Gc3*G;</p><p>　　sys3=feedback(GK3,1,-1);</p><p>　　step(s

28、ys3,'r-') %求PID控制作用下系統(tǒng)單位階躍響應，線形為紅色實線</p><p>　　title('P , PI , PID控制單位階躍響應')</p><p>　　xlabel('時間')</p><p>　　ylabel('幅值'),grid,gtext('PID'

29、)</p><p><b>　　得到如下圖形：</b></p><p>　　結論：通過圖形，我們可以清楚的看出，采用PID控制可以快速、準確、穩(wěn)定的對輸入的階躍信號進行控制。所以通過Ziegler—Nichols整定方法我們可以得到較好的控制曲線，符合課設要求。</p><p>　　五、通過matlab中的simulink來進行系統(tǒng)的參數整定。

30、</p><p>　　利用simulink進行參數整定更加的有效，而且方便快速。</p><p>　　首先進行PID控制器的設計。</p><p>　　（1）通過模塊的拖拽構成典型的PID控制器。如下所示</p><p>　　（2）然后進行封裝子系統(tǒng)，單擊simulink的library窗口中的【Edit】>【Creat Subsyst

31、em】，便產生了子系統(tǒng)。如下圖所示。</p><p><b>　?。?）進行封裝。</b></p><p>　　（4）PID控制器子系統(tǒng)構成，可以對其進行操作。</p><p>　　舉例：對G(S)=對象進行參數整定。</p><p>　　按照單回路系統(tǒng)方框圖，我們可以再simulink中繪制出相應的閉環(huán)回路圖形，如下圖

32、所示。</p><p>　　我們通過“臨界比例帶法”對其進行參數整定。</p><p>　?。?）設TI 和TD都為零，調節(jié)KP 使其產生等幅振蕩。</p><p>　　當取比例系數為10時得到等幅振蕩。如下圖：</p><p>　?。?）根據圖形可以得到比例帶和系統(tǒng)的臨界振蕩周期T。根據(表二)可以得到相應的PID參數。</p>

33、<p><b>　　(表二)</b></p><p>　　(3)由上表可知P控制時，Kp=5，將“Kp”的值設置為5后，仿真運行雙擊“Scope”得到下圖：</p><p>　　根據圖形我們可以清楚的看到P控制的特點：1、動作快 。2、有差控制 。</p><p>　　（4）由（表二）可知，PI控制時，比例系數為Kp=4.545

34、，積分時間常數Ti=1.7 ，運行仿真后得到如下圖形：</p><p>　　同樣我們可以看到PI控制的特點，既在消除了靜態(tài)誤差的同時，增加了調節(jié)時間，所以是在改善靜態(tài)品質的同時卻惡化了動態(tài)品質，使過度過程的振蕩加劇，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　?。?）由表二可知，PID控制時，Kp=5.88 ，Ti=1 ，Td=0.25 ，運行仿真得到下圖：</p><p&

35、gt;　　根據上圖中的數據，初步估算出衰減比為8：1 ，符合參數整定的穩(wěn)定、準確、快速的要求，基本達到了工程控制需求。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　MATLAB R2008控制系統(tǒng)動態(tài)仿真 謝仕宏編 化學工業(yè)出版社</p><p>　　過程控制系統(tǒng)的matlab仿真

36、 劉文定、王東林編著 機械工業(yè)出版社</p><p>　　控制系統(tǒng)計算機輔助設計—matlab語言與應用 薛定宇 清華大學出版社</p><p>　　輔助控制系統(tǒng)設計與仿真 飛思科技產品研發(fā)中心 電子工業(yè)出版社</p><p>　　火電廠熱工自動控制技術及應用 劉禾、白焰、李新利 中國電力出版社 <

37、;/p><p>　　過程控制工程及仿真（基于matlab/simulink） 郭陽寬、王正林 電子工業(yè)出版社</p><p>　　總結：通過這此課程設計,我學會了如果進行控制系統(tǒng)的單回路參數整定,如何設計控制器來滿足要求,我還掌握了matlab軟件在工程上的應用,尤其是在控制領域的應用,學會了利用matlab中的simulink軟件來模擬仿真控制系統(tǒng)。</p><p>

38、　　這次課程設計不僅使我對課堂所學的知識有了更加深入的了解,而且還將書本上的知識在工程上加以應用,使我對過程控制這門課有了一個更加全面的認識.</p><p>　　此次設計利用了Ziegler—Nichols的整定方法和臨界比例帶法，能夠對一些控制對象進行基本的PID整定。</p><p>　　但是此次設計只能是較為基礎的整定，不能達到更加“界面化”的程度，根據了解和學習，還可以使用mat