单容水箱液位控制新版系统标准设计.doc

过程控制系统设计作业 单容水箱液位控制系统设计学生姓名 文强 学号 2212130任课老师 陶珑 院、系、中心 专科部专业 生产过程自动化 提交日期 10 月 日 太 原 科 技 大 学单容水箱液位控制系统设计摘 要本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统设计方案，实现对水箱液位控制。本论文还针对每种控制系统，在MatlabSimulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，而且利用仿真曲线分析控制系统性能，比如最大动态偏差、调整时间、衰减率和积分性能指标IAE等。单闭环控制系统设计包含P、I、PI和PID设计。本文分别经过衰减频率特征法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。本论文还经过比较各控制系统仿真曲线和系统性能指标，对多种控制系统设计方案进行了比较，发觉串级控制和前馈反馈控制可提升系统性能。关键词： PID；串级；前馈反馈；参数整定；SimulinkDesign on Water Level Control in a Tank AbstractThis thesis provides design methods ofsingle closed-loop control system,cascade control systemand feed forwardcontrol system about the controlled object a singlewater tank,and it achieves the goal of controlling level.For every kind of control system,simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance ofcontrol system,such as the maximum percent overshoot,settling time,attenuation rate and IAE.The design ofsingle closed-loop controlsystemincludes designs of P,I,PIand PID.The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All thecontrol design methods included are compared by simulation curves andperformance indexes and we finally find that cascade control and feed forward controlare able to improvesystems performance.Keywords: PID；Cascade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；Simulink目 录摘 要IABSTRACTII1设计要求及内容12单容水箱系统建模33单闭环控制系统设计53.1百分比控制系统设计53.2积分控制系统设计73.3百分比-积分控制系统设计93.4百分比-积分-微分控制系统设计124串级控制控制方案设计165前馈控制方案设计186试验室水箱试验汇报196.1压力单闭环试验196.2液位单闭环试验206.3上水箱液位和流量组成串级试验226.4前馈反馈控制试验247总结26参考文件27附录281 设计要求及内容图 1 单容水箱液位控制系统单容水箱液位控制系统如题Error! Reference source not found.所表示。已知F=1000cm2，R=0.03s/cm2。调整阀为气关式，其静态增益，液位变送器静态增益。(1) 画出该系统传输方框图；(2) 对单容水箱、调整阀、液位变送器进行建模，了解F、R、Kv、Km物理意义和量纲关系。(3) 采取单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调整器，定义性能指标，对控制性能进行评价。(定义哪些性能指标进行评价？)(4) 对PID参数进行整定，工程方法和理论方法；(5) 设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。(6) 结合实物试验撰写试验汇报。说明：1) 仿真工具采取Matlab2) 本设计连续一个学期，答案不唯一，大家能够相互讨论，但每个人全部要做设计。3) 在整个学期中，不定时上交试验汇报电子版。电子版命名方法为：学号+姓名.rar内分2个目录：document用于存放文档；simulation用于存放仿真文件；每次提交时候，将整个文件夹压缩后电子邮件至.2 单容水箱系统建模单容水箱系统传输方框图如所表示图 2单容水箱系统传输方框图在任何时刻水位改变均满足物料平衡方程Error! Reference source not found.(2-2)(2-1) 其中(2-3) (2-4) F为水槽横截面积，F=1000cm2；为决定于阀门特征系数，能够假定它是常数；是和负载阀开度相关系数，在固定不变开度下，可视为常数，R=0.03s/cm2；为调整阀开度，控制水流入量，由控制器LC控制；Kv为阀门静态增益，即当系统达成稳定时，阀门增益，因为阀门为气关式，所以Kv为“”，即，可将阀门看成一个静态增益为一阶惯性步骤；液位变送器静态增益Km为仪表输出范围/仪表输入范围，假设液位变送器为线性仪表，则其可看成是一增益为 百分比步骤；为扰动，其值可依据具体情况而定。假设扰动为常值，在起始稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为(2-5)式（2-5）减式（2-1）得(2-6)式（2-6）就是动态平衡方程式（1-1）增量形式。考虑水位只在其稳态值周围小范围内改变，故可得以下近似(2-7)于是式（2-6）可化为(2-8)假如各变量全部以自己稳态值为起算点，则可去掉上市中增量符号，得(2-9)Laplace变换得：(2-10)假设液位初始值为，代入数据得单容水箱系统数学模型(2-11)被控对象传输函数为(2-12)假设调整阀为一阶惯性步骤，于是得单容水箱系统传输函数方框图图 3单容水箱系统传输函数方框图3 单闭环控制系统设计3.1 百分比控制系统设计图 4百分比控制仿真图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，依据频率特征法Error! Reference source not found.整定控制器参数得(3-1)则由式(3-1)解得，再由，可得到理论整定值。（2）、工程整定方法：采取衰减曲线法Error! Reference source not found.调整参数，令，得系统衰减振荡曲线Tsy1y1图 5系统衰减振荡曲线P=-200y1由系统衰减振荡曲线得由衰减曲线法参数整定公式可整定得到百分比度、积分时间和微分时间整定值，结果如Error! Reference source not found.所表示：表 1衰减曲线法参数整定计算表衰减率整定参数调整规律0.75P-0.005PI-0.0061.38PID-0.0040.8280.276（3）、性能指标：在t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图1所表示。将波形数据经过“To Workspace”输出到Matlab工作区进行计算，可得时，该百分比控制系统性能指标以下：衰减率：最大动态偏差：8.0481残余偏差：-0.9018调整时间： 6s绝对误差积分IAE：3.7569结论：有差控制，对小干扰由很好抑制作用，能够在较短时间内达成新稳态值。3.2 积分控制系统设计（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，依据频率特征法整定控制器参数得(3-2)则由式(3-2)可解得，再由，可得到（积分速度），进而可计算出积分时间理论整定值。（2）、性能指标：积分控制系统仿真框图：图 6积分控制仿真图I=-1/20对积分控制系统进行参数整定：；，得仿真曲线以下图所表示。由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制，但系统振荡频率低，超调量很大（约为190cm），调整时间很长（约为5000s），所以单独使用积分控制，系统性能较差。图 7积分控制仿真图I=-1/20，Qd=0在时加入扰动，得仿真曲线：由图可知，系统能抑制阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调整时间很长。图 8积分控制仿真图I=-1/20，Qd=5000cm33.3 百分比-积分控制系统设计图 9PI控制仿真框图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，依据频率特征法整定控制器参数得(3-3)认为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式(3-3)表示控制器整定参数之间关系能够画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一要求衰减率，等衰减曲线上每一点坐标代表控制器一组整栋参数。选择一组适宜、作为控制器整定参数。（2）、工程整定方法：衰减曲线法如表1得，扰动，得仿真曲线以下图 10PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=0可得（3）、性能指标：扰动，图 11PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=5000cm3对扰动抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，所以加大积分作用，减小积分时间，增大百分比增益，加紧系统响应速度扰动，图 12PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由图可知，减小了积分时间后，调整时间大大缩短，大约为15s，能在较短时间内靠近稳态值扰动，图 13PI控制仿真曲线P=-1/0.003，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由图可知，继续百分比带，可使调整时间深入减小，大约为9s，偏差减小，系统响应加紧。对应扰动，性能指标以下：衰减率：最大动态偏差：7.3368残余偏差：0调整时间： 9s绝对误差积分IAE：3.94983.4 百分比-积分-微分控制系统设计图 14PID控制仿真框图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，依据频率特征法整定控制器参数得 (3-4)令，则式（3-4）由三个变量，认为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式(3-4)表示控制器整定参数之间关系能够画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一要求衰减率，等衰减曲线上每一点坐标代表控制器一组整定参数。选择一组适宜、作为控制器整定参数。（2）、工程整定方法：如表1得，得仿真曲线以下图 15PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=0可得（3）、性能指标：扰动，图 16PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=5000cm3同百分比积分控制，百分比积分微分控制对扰动抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，所以加大积分作用，减小积分时间，减小百分比带，增加微分时间，加紧系统响应速度。扰动， 图 17PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由图可知，减小了积分时间后，调整时间大大缩短，大约为10s，能在较短时间内靠近稳态值。扰动，图 18PID控制仿真曲线P=-1/0.001，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由图可知，继续百分比带，可使调整时间深入减小，大约为5s，偏差减小，系统响应加紧。对应扰动，性能指标以下：衰减率：最大动态偏差：24.7026残余偏差：0调整时间： 5s绝对误差积分IAE：2.22754 串级控制控制方案设计前面单闭环控制系统设计，系统调整时间（回复时间）较长，最大动态偏差较大，单闭环控制效果不佳，而且未考虑对象纯拖延时间。采取串级控制可提升系统性能，减小调整时间，减小最大动态偏差，减小对象纯拖延时间对系统性能影响。下图为串级控制系统仿真框图：图 19串级控制仿真框图对主副调整器进行整定：主调整器整定参数为；主调整器整定参数为；扰动，得串级控制系统仿真以下图所表示：由仿真图可知控制振荡频率低，衰减慢，系统调整时间长，最大动态偏差大，但无静差。图 20串级控制仿真曲线Qd=0在时加入扰动，仿真结果以下图所表示，由图可知，系统能已知阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调整时间很长。图 21串级控制仿真曲线Qd=5000cm35 前馈控制方案设计采取前馈反馈控制可在输出发生改变时，提前做出修正，减小扰动对输出影响。因以前馈反馈控制能够提升系统性能，减小调整时间，减小最大动态偏差，减小对象纯拖延时间对系统性能影响。图为前馈反馈控制系统仿真方框图：图 22前馈控制仿真框图比值分别为RATIO1=0.9，RATIO2=0.1；延迟时间；PID控制器参数分别为；扰动，在时加入；流量变送器等效为增益为1百分比步骤；设定值为16cm，得图仿真曲线如附图2所表示。将前馈断开，得仿真曲线如附图3所表示，系统不稳定。和单闭环相比，引入前馈后，在系统输出发生改变之前，前馈控制提前对扰动做出修正，减小了扰动对输出影响。所以，前馈控制提升了系统稳定性，调整时间大大减小（约为2.5s），最大动态偏差减小（约为1.5cm），6 试验室水箱试验汇报6.1 压力单闭环试验6.1.1 试验目标经过试验掌握压力单回路控制系统组成。学生可自行设计，组成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界百分比度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标影响，用调整器仪表进行PID参数自整定和自动控制投运。6.1.2 试验内容（1）采取阶跃响应法、临界百分比度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数有效性；（2）采取调整器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。调整器参数设置以下：参数说明Sn=331-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dih=100输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流CF=2调整器反作用、有上电免去报警功效、无外部输入Run=1自动调整，许可手动设置6.1.3 试验仪器PCT-II型过程控制系统试验台6.1.4 试验步骤压力单闭环控制系统框图：图 23压力单闭环系统控制框图（1） 连接试验导线，将阀门V7，V10打开；（2） 接通总电源，各仪表电源。将PCT-II面板上双掷开关掷到外控端；（3） 整定参数值计算值；（4） 将计算所得PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰动信号观察各被测量改变，直至过渡过程曲线符合要求为止；（5） 曲线分析处理，对试验统计曲线分别进行分析和处理。（6） 采取调整器自整定功效整定参数，统计试验曲线并进行分析处理。6.1.5 试验结果本试验所用调整器为808模糊控制器（手动/自动输出），其给定值为818PID控制器（手动/自动输出）输出。将808模糊控制器设定值设置为某一值，再令CtrL=2，系统进入自整定状态，几秒钟后，测量值稳定在控制器设定值上。6.2 液位单闭环试验6.2.1 试验目标经过试验掌握液位单回路控制系统组成。学生可自行设计，组成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界百分比度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标影响，用调整器仪表进行PID参数自整定和自动控制投运。6.2.2 试验内容（1）采取采取阶跃响应法、临界百分比度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数有效性；（2）采取调整器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。调整器参数设置以下：参数说明DF=3回差值Sn=331-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dih=450输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流CF=2调整器反作用、有上电免去报警功效、无外部输入Run=1自动调整，许可手动设置6.2.3 试验仪器PCT-II型过程控制系统试验台6.2.4 试验步骤液位单闭环控制系统框图：图 24液位单闭环系统控制框图（1） 连接试验导线（2） 使水泵工作在恒压供水状态（3） 接通总电源和仪表电源（4） 将阀门V2、V10、V7打开，其它阀门关闭（5） 整定参数值计算（6） 将计算所得PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰动信号观察各被测量改变，直至过渡过程曲线符合要求为止（7） 曲线分析处理，对试验统计曲线分别进行分析和处理（8） 采取调整器自整定功效整定参数，统计试验曲线并进行分析处理6.2.5 试验结果818PID控制器为液位单闭环调整器，808模糊控制器为压力单闭环调整器。液位单闭环818PID控制器输出为压力单闭环设定值，当其输出值发生改变时，相当于给压力单闭环一个扰动。令808CtrL=2，在控制阀开度改变时，其测量值仍能很快地跟随其设定值。设置818PID控制器P、I、D值，刚开始时，系统超调量较大，达成80%左右，振荡频率低，调整时间很长。为此，需修改P、I、D值，改善系统性能，减小百分比带P，减小积分时间I，增大微分时间D。经过数次调整，最终系统性能达成了很好状态。6.3 上水箱液位和流量组成串级试验6.3.1 试验目标经过试验掌握串级控制系统基础概念；掌握串级控制系统结构组成；掌握串级控制系统特点；掌握串级控制主、副回路选择；掌握串级控制系统参数整定；掌握串级控制系统参数投运方法；了解串级控制系统对进入副回路和主回路扰动克服能力。6.3.2 试验内容（1） 设计串级控制系统方案（2） 设计串级控制主、副控制器（3） 串级控制系统参数整定（4） 抗干扰试验，分别将干扰加于主回路和副回路，观察并统计控制效果，并进行分析（5） 对比试验，于单回路液位控制系统控制效果进行对比调整器参数设置以下：主调整器参数说明副调整器参数说明DF=3回差值DF=3回差值Sn=331-5V电压输入Sn=321-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dil=0输入下限显示值Dih=450输入上限显示值Dih=100输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流Opl=4输出4-20mA电流CF=2调整器反作用、有上电免去报警功效、无外部输入CF=8调整器反作用、有上电免去报警功效、无外部输入Run=1自动调整，许可手动设置Run=2自动调整，严禁手动设置6.3.3 试验仪器PCT-II型过程控制系统试验台6.3.4 试验步骤串级控制系统方框图：图 25串级控制系统方框图（1） 选择控制系统方案，上水箱液位和主回路流量（2） 选择主被控参数、副被控参数、打开手动阀门V2、V7、V10（3） 选择主副控制器，在恒压供水条件下工作，按事先设计试验接线图将试验导线接好（4） 试验参数整定，先自整定副回路流量系统。待系统稳定后再整定主回路液位系统，最终串在一起整定（5） 待系统稳定后，上水箱液位加个给定，观察计算机上流量和液位曲线改变，并保留此曲线（6） 系统稳定后，分别在主副回路加个干扰信号，然后观察计算机上历史曲线改变6.3.5 试验结果和液位单闭环控制系统相比较，串级控制系统对流量扰动抑制大大增强，使其对主参数影响大大减小。所以串级系统调整时间（回复时间）降低，最大动态偏差降低。控制性能分析：（A）因为副回路快速作用，可快速克服进入副回路干扰，故选择PI作用能够进行有效调整（B）引入副回路减小了副对象相位滞后，从而改善了主回路响应速度，这对克服进入主副回路干扰全部是有利（C）串级控制系统改善了系统鲁棒性（D）副回路可按主回路要求对副变量进行正确控制（E）因为该串级系统有较大滞后，故能够采取PID作用进行有效调整6.4 前馈反馈控制试验6.4.1 试验目标经过设计前馈反馈控制系统实现高精度液位控制，掌握前馈反馈控制系统结构组成，前馈量选择，控制参数整定等方法。6.4.2 试验内容（1） 用试验方法测试液位和流量动态特征（2） 确定扰动通道传输函数、对象控制通道传输函数（3） 用比值器实现静态前馈、前馈反馈控制系统（4） 整定前馈反馈控制系统参数（5） 分析简单控制系统和前馈反馈控制系统控制质量调整器参数设置以下：反馈调整器参数说明DF=3回差值Sn=331-5V电压输入Dip=0小数点位数为0Dil=0输入下限显示值Dih=100输入上限显示值Opl=4输出4-20mA电流CF=2调整器反作用、有上电免去报警功效、无外部输入Run=1自动调整，许可手动设置6.4.3 试验仪器PCT-II型过程控制系统试验台6.4.4 试验内容前馈反馈控制系统方框图：图 26前馈反馈控制系统方框图（1） 设计控制方案（2） 计算比值系数（3） 完成恒压供水系统接线（4） 完成比值控制系统接线（5） 将阀门V2、V3、V9、V10、V7打开，其它阀门关闭（6） 接通总电源和各仪表电源（7） 调整PCT-II面板上电位器K1可改变主副流量比值，比值范围是0.11倍（8） 控制系统参数整定，控制器参数整定可按单回路或串级控制系统整定方法进行。因为流量改变速度快，调整器不能整定出比较合理参数，需依据曲线来人工调整（9） 系统稳定后，改变主回路流量大小，观察副回路流量改变（10） 观察计算机上历史曲线改变，统计并处理历史曲线（11） 改变百分比器百分比系数，观察流量改变6.4.5 试验结果和液位单闭环相比较，前馈反馈控制系统调整时间（回复时间）降低，最大动态偏差降低。控制性能分析：A.以前馈控制角度，因为反馈，减轻了对前馈控制模型精度要求，并可对未作前馈赔偿干扰进行校正；B从反馈角度，前馈控制事先起了一个粗调作用，大大降低了反馈负担。7 总结经过为期快要一个学期设计，过程控制系统这份大作业单容水箱液位控制系统设计，最终将要画上句号了。经过做这份作业，我们能够将书本上知识加以愈加好地加以消化和巩固，将理论和实际相结合。经过计算机仿真，我们对抽象过程控制理论知识有了直观认识和了解。经过这次作业，我掌握了简单控制系统建模过程和方法，掌握了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统特点及应用场所，掌握了利用频率特征法和衰减曲线法整定PID控制器参数。单闭环控制性能较差，超调量大，调整时间长，但实现起来简单，PID参数整定较简单；串级控制控制性能比单闭环好，能够减小超调量，减小调整时间，能够快速抑制内环内扰动，提升系统抗干扰能力，但串级系统参数整定较复杂；前馈反馈控制控制性能也比单闭环好，能够在扰动影响系统输出之前对调整器输出做出修正，减小扰动对输出影响。当然，我所设计控制系统还存在很多问题，比如串级控制系统参数整定不好，系统衰减太慢，超调较大，调整时间很长，还没有找到一组适宜主副控制器参数；积分控制器参数整定不好，超调很大，振荡周期很长，调整时间很长，控制效果不好。参考文件1 王子才. 控制系统设计手册. 北京：国防工业出版社，19932 王树青，乐嘉谦. 自动化和仪表工程师手册. 北京：化学工业出版社，3 Seborg D E，Edgar T F and Mellichamp D A著，王京春等译. 过程动态特征和控制(Process Dynamics and Control). 第二版. 北京：电子工业出版社，4 Shinskey F G著，萧德云等译. 过程控制系统应用、设计、整定. 第三版. 北京：清华大学出版社，5 黄德先等. 过程控制系统. 北京：清华大学出版社，6 蒋慰孙，俞金寿. 过程控制工程. 第二版. 北京：中石化出版社，7 黄德先等. 化工过程优异控制. 北京：化学工业出版社，8 Luyben W L. Design and control degrees of freedom. Industrial & Engineering Chemistry Research，1994,49(13)：208920959 Newell R B and Lee P L. Applied process control. Brookvale，NSW，Australia：Prentice-Hall of Australia，198910 Hougen J O. Measurement and control applications. Secend ed. NC：ISA，Research Triangle Park，1979附录仿真程序图附图 1百分比控制仿真图P=-200 ，Qd=-5000cm3附图 2前馈控制仿真曲线附图 3前馈断开系统仿真曲线