過程控制課程設(shè)計(jì)--雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　電氣工程與自動化 專業(yè) 10 年級 1班 陳志高 </p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)</p><p><b>　　主要內(nèi)容</b>&

2、lt;/p><p>　　熟悉THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，獲取電動閥支路的流量和變頻器－磁力泵支路的流量曲線，利用實(shí)驗(yàn)建模法求出它們的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)串級控制，選擇合適的雙回路調(diào)節(jié)器控制規(guī)律，并在Matlab上進(jìn)行仿真。最終在過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置平臺上完成實(shí)際系統(tǒng)的調(diào)試，并說明兩種方法的所得結(jié)果的差別。</p><p><b>　　具體要求</b></p>

3、;<p>　　從組成、工作原理上對工業(yè)型傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一深刻的了解和認(rèn)識。</p><p>　　分析控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，從實(shí)驗(yàn)中獲得各環(huán)節(jié)的特性曲線，建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　根據(jù)其數(shù)學(xué)模型，選擇被控規(guī)律和整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。</p><p>　　在Matlab上進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，獲得最佳控制效果。</p>

4、;<p>　　了解和掌握自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并在THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)平臺上完成本控制系統(tǒng)線路連接和參數(shù)調(diào)試，得到最佳控制效果。</p><p>　　分析仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果的差異，鞏固所學(xué)的知識。</p><p><b>　　進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　完成后應(yīng)上交的材料</

5、b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報告。</b></p><p><b>　　總評成績</b></p><p>　　指導(dǎo)教師 簽名日期 年 月 日</p><p>　　系 主 任 審核日期 年 月 日</p&

6、gt;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以THJ-2型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控

7、制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計(jì)并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對過程參數(shù)的無穩(wěn)態(tài)誤差控制，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。</p><p>　　關(guān)鍵字：雙容液位 串級 PID控制 電動閥 磁力泵 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)</p>

8、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一．設(shè)計(jì)任務(wù)分析……………………………………………………………………1</p><p>　　二．控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)………………………………………………………1</p><p>　　2.1設(shè)計(jì)目的……………………………………………………………………1</p>&

9、lt;p>　　2.2設(shè)計(jì)要求……………………………………………………………………1</p><p>　　2.3雙容液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)…………………………………………………2</p><p>　　2.4雙容液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn) ………………………………………………3</p><p>　　三．雙回路參數(shù)整定…………………………………………………………………3<

10、/p><p>　　3.1被控對象特性測試方法 …………………………………………………4</p><p>　　3.2電動閥傳遞函數(shù)測試 ……………………………………………………5</p><p>　　3.3用MATLAB進(jìn)行仿真………………………………………………………6</p><p>　　四．系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié) …………………………………………………

11、……………… 8</p><p>　　4.1比例系數(shù)的整定………………………………………………………… 8</p><p>　　4.2系統(tǒng)參數(shù)的整定……………………………………………………………9</p><p>　　4.3 PID串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………9</p><p>　　五．設(shè)備使用說明 …………………

12、………………………………………………11 </p><p>　　5.1系統(tǒng)主要組成 ……………………………………………………………11</p><p>　　5.2操作前準(zhǔn)備………………………………………………………………11</p><p>　　5.3控制面板接線說明………………………………………………………11</p><p>　　六．結(jié)果

13、與分析…………………………………………………………………… 12</p><p>　　6.1給定階躍響應(yīng)曲線 …………………………………………………… 12</p><p>　　七. 心得體會 ………………………………………………………………………16</p><p>　　八．參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………17</p>

14、<p>　　附錄：實(shí)驗(yàn)總圖 ……………………………………………………………………18 </p><p><b>　　一．設(shè)計(jì)任務(wù)分析</b></p><p>　　在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解

15、容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費(fèi)﹑產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。 </p><p>　　在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將以T

16、HJ-2高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，展開設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及工程實(shí)現(xiàn)的工作。設(shè)備上包括的傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)如下（本次課程設(shè)計(jì)中的）：上、中、下三個水箱的壓力變送器，電磁閥，電動調(diào)節(jié)閥，變頻磁力泵，差壓變送器，壓力表，渦輪流量計(jì)等。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調(diào)節(jié)儀表﹑數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)控制系

17、統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。</p><p>　　二．控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　在本課程設(shè)計(jì)中，要求學(xué)生以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置為基礎(chǔ)，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)定合適的PID參數(shù)，以達(dá)到要求的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)，并分析PID的三個

18、調(diào)整參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響。綜合考慮抗干擾問題、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)偏差等，對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析等。通過一次完整的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使學(xué)生在進(jìn)一步加深理解和掌握《過程控制系統(tǒng)》課程中所學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，著重訓(xùn)練學(xué)生將《過程檢測與控制儀表》、《自動控制原理》、《微機(jī)控制技術(shù)》和《過程工程基礎(chǔ)》等課程中所學(xué)到知識進(jìn)行綜合應(yīng)用。鍛煉學(xué)生的綜合知識應(yīng)用能力，讓學(xué)生了解一般工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、步驟，系統(tǒng)的集成和投運(yùn)。

19、</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　按課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書提供的課題，根據(jù)給出的設(shè)計(jì)任務(wù)，自己設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)的特點(diǎn)和系統(tǒng)特性，按“可選”的被控對象設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室連接系統(tǒng)部件、構(gòu)造硬件系統(tǒng)。可以自己跳線、連線，并連好對象、控制器、計(jì)算機(jī)。通過用控制器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)對象的聯(lián)機(jī)調(diào)試、執(zhí)行、觀察結(jié)果，達(dá)到預(yù)期應(yīng)用功能

20、和控制目的，比較不同方案的應(yīng)用效果，完整的設(shè)計(jì)任務(wù)書。</p><p>　　能夠查閱工藝過程相關(guān)資料。</p><p>　　依據(jù)工藝要求分析、比較、設(shè)計(jì)方案（對其合理性、工作原理及工作過程做出說明）。</p><p>　　被控對象以及儀器儀表的描述。</p><p>　　控制方案的選擇及其論述，控制系統(tǒng)方框圖及其說明。</p>

21、<p>　　完成對象的特性曲線的測試，建立對象的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　在Matlab上進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，獲得最佳控制效果，記錄調(diào)節(jié)器參數(shù)值以及仿真結(jié)果曲線。</p><p>　　畫出控制系統(tǒng)連線示意圖及說明，記錄最佳控制結(jié)果的調(diào)節(jié)器參數(shù)以及結(jié)果曲線。</p><p>　　仿真結(jié)果與實(shí)際操作調(diào)試結(jié)果的比較說明。</p><

22、;p><b>　　設(shè)計(jì)體會。</b></p><p>　　撰寫規(guī)范化的說明書一份。</p><p>　　2.3雙容液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙容液位過程如下所示：</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　兩容器的流出閥均為手動閥門

23、，流量Q1只與容器1的液位h1有關(guān)，與容器2的液位h2無關(guān)。容器2的液位也不會影響容器1的液位。 </p><p>　　由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有：</p><p><b>　　其對應(yīng)的拉式變化為</b></p><p>　　Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-1）</p><

24、p>　　Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-2）</p><p>　　令容器1、容器2相應(yīng)的閥門液阻分別為和,其中</p><p>　　Q(s)= （2-3）</p><p>　　Q(s)= （2-

25、4）</p><p>　　將（2-3）和（2-4）帶入（2-1）和（2-2），可得</p><p>　　= （2-5）</p><p>　　令T=AR,T=AR,可得</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　

26、可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個容器分別獨(dú)立時的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由上述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個具有

27、穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個具有自平衡能力的過程。其中時間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時間常數(shù)越小，系統(tǒng)對輸入的反應(yīng)越快，反之，若時間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應(yīng)較慢。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時間常數(shù) ，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。</p><p>　　2.4雙容液位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p>　　雙容水箱作

28、為工業(yè)過程控制中常見的被控對象,其液位控制具有大慣性滯后、系統(tǒng)參數(shù)時變的特點(diǎn)，但在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員干預(yù)，能夠依靠其自身重新恢復(fù)平衡。</p><p><b>　　三．回路參數(shù)整定</b></p><p>　　過程的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，確定控制方案，分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。建立過程數(shù)學(xué)模型的基本方法，一般來說有機(jī)理

29、分析法和試驗(yàn)法兩種。</p><p>　　雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可按下述方法來確定。</p><p>　　在圖3-1所示的階躍響應(yīng)曲線上求?。?lt;/p><p>　　h2(t)=|t=t1=0.4h2(∞)時曲線上的點(diǎn)對應(yīng)的時間為97s</p><p>　　h2(t)=|t=t2=0.8h2(∞)時曲線上的點(diǎn)對應(yīng)的時間為207s<

30、/p><p>　　圖3-1雙容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　然后，利用下面的近似公式計(jì)算</p><p>　　T1+T2=(t1+t2)/2.16</p><p>　　T1*T2/( T1+T2)=1.74*t1/t2-0.55</p><p>　　0.32<t1/t2<0.46</p>

31、;<p>　　機(jī)理分析法雖然具有很大的普遍性，但是，許多工業(yè)過程其內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，所以對這些過程進(jìn)行建模，單獨(dú)采用其中一種方法，想要比較精確的建立其模型，是比較困難的。所以，在實(shí)際應(yīng)用時，往往采用兩種方法相結(jié)合來求得對象的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　通常對被控對象的組成部分進(jìn)行機(jī)理分析，分析對象是由哪些部分串聯(lián)或并聯(lián)組成最終可以得出對象模型的結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)試驗(yàn)建模法再求得模型結(jié)構(gòu)中的參數(shù)。<

32、;/p><p>　　試驗(yàn)法在實(shí)際的應(yīng)用中的關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)是過程響應(yīng)曲線的獲得，其中獲得的方法有階躍響應(yīng)曲線法和矩形脈沖響應(yīng)曲線法兩種。</p><p>　　3.1被控對象特性測試方法</p><p>　　被控對象數(shù)學(xué)模型的建立通常用下列二種方法。一種是分析法，即根據(jù)過程的機(jī)理，物料或能量平衡關(guān)系求得它的數(shù)學(xué)模型；另一種是用實(shí)驗(yàn)的方法確定。我們采用的是第二種方法，被控對象

33、為單容水箱對典型輸入信號的響應(yīng)曲線來確定它的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　3.2電動閥傳遞函數(shù)測試</p><p>　　采用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。電動調(diào)節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、控制單元與電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，控制信號為4～20mA DC或1～5V DC，輸出4～20mA DC的閥位信號，使用和校正非常方便。</p>&

34、lt;p>　?。?）在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，打開閥門F1-1、F1-2、F1-7全開,將F1-10、F1-11開到適當(dāng)開度，調(diào)節(jié)下水箱閘板開度，其余閥門關(guān)閉，構(gòu)成雙容的單回路液位控制。檢查所有的測量原件和接線及其他原件均無誤后，再進(jìn)行下面的操作。</p><p>　?。?）開啟電動調(diào)節(jié)閥到一定開度， 防止泵出口壓力過高。</p><p>　　（3）啟動計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇“雙容水箱

35、液位單回路控制實(shí)驗(yàn)”。</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)閥特性測試：將調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)方式設(shè)置為手動，按照下表將調(diào)節(jié)閥至于不同的開度，記錄在其不同開度下的輸入流量的變化</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：</b></p><p>　　根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作出特性曲線如下：</p><p>　　從特性曲線上可以得出：該調(diào)節(jié)

36、閥的特性是電開特性</p><p>　　y= -0.004037*x^2 + 0.7055*x + -6.58（Y是流量，X是閥門開度）</p><p>　　3.3用MATLAB進(jìn)行仿真</p><p><b>　　clear </b></p><p>　　[num,txt,raw]=xlsread('C:\Us

37、ers\Jaclisy\Desktop\final.xlsx');</p><p>　　plot(num(:,1),num(:,2))</p><p><b>　　hold on;</b></p><p>　　plot(97,2.05,'.r','MarkerSize',20)</p>&l

38、t;p>　　plot(270,4.1,'.r','MarkerSize',20)</p><p>　　plot(0:97,2.05')</p><p>　　line([97,97],[0 2.05],'linestyle',':','color','r');</p>

39、<p>　　plot(0:270,4.1)</p><p>　　line([270,270],[0 4.1],'linestyle',':','color','r');</p><p>　　text(0.2,2.2,'0.4h(t)')</p><p>　　text(0.2,4

40、.3,'0.8h(t)')</p><p>　　text(100,0.1,'97')</p><p>　　text(271,0.1,'207')</p><p><b>　　%hold on;</b></p><p>　　K=5.13/0.1;</p><

41、;p>　　syms T1 T2</p><p>　　[T1,T2]=solve('T1*T2/(T1+T2)^2=0.0751','T1+T2=169.9074')</p><p>　　T1 =13.897</p><p>　　T2 = 156.01</p><p><b>　　G =</

42、b></p><p><b>　　51.3</b></p><p>　　exp(-5*s) * ----------------------</p><p>　　2168 s^2 + 169.9 s + 1</p><p>　　系統(tǒng)傳遞函數(shù)階躍曲線</p><p>　　四．PID控制系統(tǒng)參數(shù)

43、調(diào)節(jié)</p><p>　　4.1 PID控制原理 </p><p>　　目前，隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制技術(shù)日趨成熟。先進(jìn)的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等。</p>

44、<p>　　在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。</p><p>　　圖4.1.1 PID控制基本原理圖</p><p>　　PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差

45、：。</p><p><b>　　PID控制規(guī)律為：</b></p><p>　　或以傳遞函數(shù)形式表示：</p><p>　　式中，KP:比例系數(shù) TI:積分時間常數(shù) TD:微分時間常數(shù) </p><p>　　PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：</p><p>　?。?）比例控制（P）：比例控

46、制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　　（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積

47、分項(xiàng)會越大。</p><p>　　這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　?。?）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系

48、統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。</p><p>　　所以在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣具有比例+微分的控制器，就能夠提

49、前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。</p><p>　　4.2 PID控制系統(tǒng)參數(shù)的整定</p><p&g

50、t;　　PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：</p><p>　　一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)測定的過程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。</p><p>　　二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)試驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際

51、中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。</p><p>　　4.3 PID串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。主回

52、路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的設(shè)定值R，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.</p><p>　　通過針對雙容水箱液位被控過程設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動f1(t)作用于副對象時，副調(diào)節(jié)器能

53、在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動，當(dāng)擾動f2(t)作用于主對象時，由于副</p><p>　　回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。</p><p>　　圖4.3.1串級控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　(1) 被控參數(shù)的選擇</p><p>　　應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量

54、和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因?yàn)橄滤涞囊何皇钦麄€控制作用的關(guān)鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會造成整個系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、靜壓式液位計(jì)、電磁式液位計(jì)、超聲波式液位計(jì)等。</p><p>　　(2) 控制參數(shù)的選擇</p><p>　　從雙容水箱系統(tǒng)來

55、看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時，后一種控制方式會造成長流水，導(dǎo)致水箱中水過多溢出，造成浪費(fèi)或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。</p><p>　　(3) 主副回路設(shè)計(jì)</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對于包含在其內(nèi)的二次擾動

56、以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力。主副回路時間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。</p><p>　　(4) 控制器的選擇</p><p>　　根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了

57、實(shí)現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。</p><p><b>　　五．設(shè)備使用說明</b></p><p>　　5.1系統(tǒng)主要組成 </p><p>　　“THJ-2型高

58、級過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置”是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它集自動化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辨識，單回路控制，串級控制，前饋—反饋控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)裝置由被控對象和控制儀表兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三（380V交流）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪

59、流量計(jì)及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動調(diào)節(jié)閥組成。</p><p><b>　　5.2操作前準(zhǔn)備</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)前，要對被控對象及其控制系統(tǒng)所涉及的儀器儀表有清楚的認(rèn)識。</p><p>　　先將儲水箱中貯足水量，電動調(diào)節(jié)閥可以通過閥F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8

60、流至下水箱。變頻器—磁力泵支路可以通過閥F2-1、變頻器控制的磁力泵、閥F2-5流至下水箱。兩個支路的流量傳感器分別為FT1與FT2。</p><p>　　AI智能調(diào)節(jié)儀1設(shè)置參考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0; 調(diào)節(jié)儀2：Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;</p><p>　　電動調(diào)節(jié)閥使用：電動閥上電后切不

61、可用手來旋轉(zhuǎn)黑色手輪，斷開控制信號后，閥位有保持功能，也不可旋轉(zhuǎn)手輪，只有在斷開AC220V后，才可使用手動，在一般情況下無須手動。</p><p>　　5.3控制面板接線說明</p><p>　　圖5-1 接線說明圖</p><p>　　①強(qiáng)電部分：三相電源輸出u、v、w 接到380v磁力泵的輸入u、v、w端；變頻器輸出端A、B、C接到220v磁力泵輸入A、B、C

62、端；單相Ⅰ的L、N并聯(lián)接到調(diào)節(jié)儀1和調(diào)節(jié)儀2的L、N端；單相Ⅱ的L、N端接到電動調(diào)節(jié)閥電源的L、N端；單相Ⅲ的L、N端接到比值器電源的L、N端；</p><p>　　②弱電部分：電動閥支路流量FT1信號并聯(lián)接到調(diào)節(jié)儀1的1、2輸入端和比值模塊電壓輸入1的+、-端，比值模塊的電壓輸出+、-端對應(yīng)接到調(diào)節(jié)儀2的1、2端，F(xiàn)T2信號+、-端對應(yīng)接到調(diào)節(jié)儀2的3、2輸入端；調(diào)節(jié)儀1的輸出7、5端對應(yīng)接到電動調(diào)節(jié)閥控制信號

63、+、-端，調(diào)節(jié)儀2的輸出7、5端對應(yīng)接到變頻器4～20mA控制信號輸入+、-端，變頻器STF端、SD端和RH端短接；24v電源輸出+、-端接到流量計(jì)電源輸入+、-端。</p><p><b>　　六．結(jié)果與分析</b></p><p>　　6.1給定階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　現(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研

64、究各調(diào)節(jié)器的作用。</p><p>　　保持I、D參數(shù)為定值，改變P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：</p><p>　　參數(shù)：P=0.1 I=1500 D=0.01</p><p>　　圖6-1 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>　　參數(shù)：K1=0.2，Ti=16.8，Td=5.6</p><p>　

65、　圖6-2單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>　　比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的減小，最大動態(tài)偏差減小，余差增大，衰減率增大，振蕩頻率減小。</p><p>　　保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：</p><p>　　參數(shù)：K1=12，T I=700，Td=5.6</p><p>　　

66、圖6-3單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>　　參數(shù)：K1=12，Ti=1，Td=1</p><p>　　圖6-4單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>　　比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。</p><p>　　保持P、I參數(shù)為定值，改

67、變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：</p><p>　　參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，Td=2.6</p><p>　　圖6-5單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>　　參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，Td=0.6</p><p>　　圖6-6單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>

68、;　　比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率減小。</p><p>　　經(jīng)過多組驗(yàn)證，最后得出，當(dāng)參數(shù)：K1=0.1，Ti=1500， Td=0. 1時，系統(tǒng)比較完善，其仿真如下圖</p><p>　　圖6-7單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖</p><p>　　得出：調(diào)節(jié)時間t=9s，

69、超調(diào)量σ%=4%, 靜態(tài)誤差e=7.6</p><p>　　可見，穩(wěn)態(tài)誤差沒有達(dá)到要求。</p><p><b>　　七．心得體會</b></p><p>　　兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中我既鞏固了已學(xué)過的專業(yè)知識，又學(xué)到了許多新知識。通過理論和實(shí)踐相結(jié)合，使得本科大學(xué)期間所學(xué)到的各方面知識得以融會貫通。在體會實(shí)際工作困難的同時，也

70、深深的體會到實(shí)踐與理論的差距。設(shè)計(jì)中，不但需要去全面掌握理論知識，了解個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，更重要的是要懂得如何去根據(jù)不同的情況選擇不同的控制系統(tǒng)。同時在設(shè)計(jì)過程中，我也發(fā)現(xiàn)很多自身的不足，實(shí)驗(yàn)測試過程中遇到很多問題都無法獨(dú)立解決，希望以后的學(xué)習(xí)，可以逐步克服。</p><p><b>　　八．參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　戴先中.過程控制工程.[M].北京：機(jī)械工