基于MATLAB水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于matlab水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 太原理工大學(xué) 過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱水箱液位系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化0902 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化0902 學(xué)號(hào) 姓名 成績(jī) 目 錄摘 要iii任 務(wù) 書(shū) iv第1章 緒論411過(guò)程控制的定義412過(guò)程控制的目的413過(guò)程控制的特點(diǎn)514過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)5第2章 水箱液位控制系統(tǒng)的原理621 人工控制與自動(dòng)控制6 22 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 723 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型8第3章 水箱液位控制系統(tǒng)的組成1131 被控制變量的選擇1132 執(zhí)行器的選擇113 3 pid控制器的選擇1434 液位變送器的選擇

2、15第4章 pid控制規(guī)律1741 比例控制1742積分控制i1943微分控制d1944比例積分控制pi 2045比例積分微分控制pid20第5章 利用matlab進(jìn)行仿真設(shè)計(jì) 2051matlab設(shè)計(jì)2052 matlab設(shè)計(jì)任務(wù)2153 matlab設(shè)計(jì)要求2154 matlab設(shè)計(jì)任務(wù)分析2155 matlab設(shè)計(jì)內(nèi)容25com的設(shè)計(jì)25com的設(shè)計(jì)25com副回路的匹配26com 單回路pid控制的設(shè)計(jì)27 com制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32 com制系統(tǒng)的pid參數(shù)整定 34總結(jié)36參考文獻(xiàn)36摘 要 在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問(wèn)題例如居民生活用水的供應(yīng)飲料食品加

3、工溶液過(guò)濾化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)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(fèi)也不能過(guò)少而無(wú)法滿足需求因此液面高度是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)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(duì)一水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及到液位的動(dòng)態(tài)控制控制系統(tǒng)的建模pid算法傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識(shí)作為單容水箱液位的控制系統(tǒng)其模型為一階慣性函數(shù)控制方式采用了pid算法調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選用的器件設(shè)備控制方案和算法是為了能最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求

4、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)班 級(jí)自動(dòng)化0902學(xué)生姓名朱智慧指導(dǎo)教師設(shè)計(jì)論文題目水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一個(gè)單回路控制系統(tǒng)系統(tǒng)使用pid調(diào)節(jié)器 各環(huán)節(jié)選用適當(dāng)?shù)膬x表和器件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制方式確定控制器參數(shù)并可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)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(diǎn)系統(tǒng)在上下水流量發(fā)生變化時(shí)能快速恢復(fù)到設(shè)定值主要技術(shù)指標(biāo)或研究目標(biāo)本過(guò)程控制系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)控制信號(hào)及被控信號(hào)均采用ice標(biāo)準(zhǔn)即電壓1-5v電流4-20ma供電要求三相380v交流電24v直流電通過(guò)本課題的設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的綜合運(yùn)用對(duì)自動(dòng)化儀表的選型參數(shù)設(shè)計(jì)和

5、調(diào)試的能力檢驗(yàn)所學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的綜合利用能力為今后工作打好基礎(chǔ)基本要求1設(shè)計(jì)水箱液位控制的系統(tǒng)方案2各環(huán)節(jié)儀表的選型3設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制方式和pid參數(shù)4分析不同控制規(guī)律和不同參數(shù)下系統(tǒng)的特點(diǎn)主要參考資料及文獻(xiàn)1 過(guò)程控制系統(tǒng)和應(yīng)用 李國(guó)勇主編 機(jī)械工業(yè)出版社2 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表 侯志林主編 機(jī)械工業(yè)出版社3 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制 施仁主編 電子工業(yè)出版社第1章 緒論11過(guò)程控制的定義生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化一般是指石油化工冶金煉焦造紙建材陶瓷及電力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制電力拖動(dòng)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等過(guò)程的自動(dòng)控制一般不包括在內(nèi)凡是采用模擬或數(shù)字控制方式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的某一或某

6、些物理參數(shù)進(jìn)行的自動(dòng)控制通稱為過(guò)程控制過(guò)程控制是自動(dòng)控制學(xué)科的一個(gè)重要分支是對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合12過(guò)程控制的目的生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)各個(gè)工藝過(guò)程的物理量或稱工藝變量有著一定的控制要求有些工藝變量直接表征生產(chǎn)過(guò)程對(duì)產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量起著決定性的作用例如精餾塔的塔頂或塔釜溫度一般在操作的壓力不變的情況下必須保持一定才能得到合格的產(chǎn)品加熱爐出口溫度的波動(dòng)不能超出允許范圍否則將影響后一段的效果化學(xué)反應(yīng)器的反應(yīng)溫度必須保持平穩(wěn)才能使效率達(dá)到指標(biāo)有些工藝變量雖不直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量然而保持其平穩(wěn)卻是使生產(chǎn)獲得良好控制的前提例如用蒸汽加熱反應(yīng)器或在沸器如果在蒸汽總壓波動(dòng)劇烈的情況下要把反應(yīng)溫度或塔釜溫度

7、控制好將極為困難中間儲(chǔ)槽的液位高度與氣柜壓力必須維持在允許的范圍之內(nèi)才能使物料平衡保持連續(xù)的均衡生產(chǎn)有些工藝變量是決定安全生產(chǎn)的因素例如鍋爐汽包的水位受壓容器的壓力等不允許超出規(guī)定的限定否則將威脅生產(chǎn)安全還有一些工藝變量直接鑒定產(chǎn)品的質(zhì)量例如某些混合氣體環(huán)境的污染因此減小工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響也已納入過(guò)程控制的目標(biāo)范圍綜上所述過(guò)程控制的主要目標(biāo)包括一下幾個(gè)方面保障生產(chǎn)過(guò)程的安全和平穩(wěn)達(dá)到預(yù)期的產(chǎn)量和質(zhì)量盡可能地減少原材料和能源損耗把生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的危害降低到最小程度由此可見(jiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定降低消耗降低成本改善勞動(dòng)條件促進(jìn)文明生產(chǎn)保證生產(chǎn)安去和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段使20世紀(jì)科學(xué)與進(jìn)步的

8、特征市工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一13過(guò)程控制的特點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制一般要求保持過(guò)程進(jìn)行中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化顯然過(guò)程參數(shù)的變化不但受外界條件的影響它們之間往往也相互影響這就增加了某些參數(shù)自動(dòng)控制的復(fù)雜性和難度過(guò)程控制有如下特點(diǎn)被控對(duì)象的多樣性對(duì)象存在滯后對(duì)象特性的非線性控制系統(tǒng)比較復(fù)雜由于對(duì)象的特性不同其輸入與輸出可能不止一個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在于適應(yīng)這些不同的特點(diǎn)以確定控制方案和控制其的設(shè)計(jì)或選型以及控制器特性參數(shù)的計(jì)算與設(shè)定這些都要以對(duì)象的特性為依據(jù)而對(duì)象的特性復(fù)雜且難以認(rèn)識(shí)所以要完全通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定至今仍不可能目前已設(shè)計(jì)出的各種各樣的控制系統(tǒng)如簡(jiǎn)單的位式控制系統(tǒng)單回路

9、及多回路控制系統(tǒng)以及前饋控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等都是通過(guò)必要的理論計(jì)算采用現(xiàn)場(chǎng)的方法達(dá)到過(guò)程控制的目的14過(guò)程控制的發(fā)展與趨勢(shì)20世紀(jì)40年代開(kāi)始形成的控制理論被成為20世紀(jì)上半葉三大偉績(jī)之一在人類社會(huì)的各個(gè)反面有著深遠(yuǎn)的影響與其他任何學(xué)科一樣控制理論源于社會(huì)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐自動(dòng)化技術(shù)的前驅(qū)可以追溯到我國(guó)古代如指南車的出現(xiàn) 至于工業(yè)上的應(yīng)用一般以瓦特的蒸汽機(jī)調(diào)速器作為起點(diǎn)有人把直到20世紀(jì)30年代末這段時(shí)期的控制理論成為第一代控制理論第一代控制理論分析的主要問(wèn)題是穩(wěn)定性主要的數(shù)學(xué)方法是微分方程解析方法這時(shí)候的系統(tǒng)包括過(guò)程控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)儀表是基地式大尺寸的滿足當(dāng)時(shí)的需要到第二次時(shí)間大戰(zhàn)前后控制

10、理論有了很大發(fā)展nyquist 1932 和bode1945頻率法分析技術(shù)及穩(wěn)定判據(jù)evens根軌跡分析方法的建立使經(jīng)典控制理論發(fā)展到了成熟的階段這是第二代控制理論從20世紀(jì)50年代開(kāi)始隨著工業(yè)的發(fā)展控制需求的提高除了簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)以外各種復(fù)雜控制系統(tǒng)也發(fā)展起來(lái)了而且取得了顯著的功效20世紀(jì)60年代現(xiàn)代控制理論迅猛發(fā)展它以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)以極小值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)控制理論為特征的而以在隨機(jī)干擾下采用kalman濾波器的線性二次型系統(tǒng)log設(shè)計(jì)宣告了時(shí)域方法的完成這是第三代控制理論從20世紀(jì)70年代開(kāi)始為了解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化與控制問(wèn)題現(xiàn)代控制理論和優(yōu)化與控制相結(jié)合逐步發(fā)發(fā)展成了大系統(tǒng)理論

11、過(guò)程控制是隨著控制理論的發(fā)展而發(fā)展的從系統(tǒng)機(jī)構(gòu)來(lái)看過(guò)程控制已經(jīng)經(jīng)歷了四個(gè)階段基地式控制階段初級(jí)階段單元組合儀表自動(dòng)化階段計(jì)算機(jī)控制的初級(jí)階段綜合自動(dòng)化階段 水箱液位控制系統(tǒng)的原理21 人工控制與自動(dòng)控制下圖為水箱液位控制系統(tǒng)示意圖在人工控制示意圖中為保持水箱液位恒定操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量手工控制的過(guò)程主要分為三步用眼睛觀察水箱液位的高低以獲取測(cè)量值并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦大腦根據(jù)眼睛看到的水位高度與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差大小和方向然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出控制命令根據(jù)大腦發(fā)出的命令用雙手去改變給水閥或進(jìn)水閥的開(kāi)度使水箱液位包持在工藝要求的高度上在整個(gè)手工控制過(guò)程中操作人員的眼腦手三

12、個(gè)器官分別擔(dān)負(fù)了檢測(cè)判斷和運(yùn)算執(zhí)行三個(gè)作用來(lái)完成測(cè)量求偏差在施加控制操作以糾正偏差的工作過(guò)程保持水箱液位的恒定如果采用檢測(cè)儀表和自動(dòng)控制裝置來(lái)代替人工控制就成為過(guò)程控制系統(tǒng)在自動(dòng)控制示意圖中當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后被控變量液位發(fā)生變化通過(guò)檢測(cè)變送儀表得到其測(cè)量值控制器接受液位測(cè)量變送器送來(lái)的信號(hào)與設(shè)定值相比較得出偏差按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào)控制閥接受控制器的控制信號(hào)按其大小改變閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)整給水量以克服擾動(dòng)的影響使被控變量回到設(shè)定值最終達(dá)到水箱液位的恒定這樣就完成了所要求的控制任務(wù)這些自動(dòng)控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個(gè)沒(méi)有人直接蔡玉的自動(dòng)控制系統(tǒng) 22 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖本

13、論文對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)所謂簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對(duì)象一個(gè)檢測(cè)變送單元檢測(cè)元件及變送器以個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器控制閥所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)也稱為單回路控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成即被控對(duì)象測(cè)量變送裝置控制器和執(zhí)行器對(duì)于不同對(duì)象的簡(jiǎn)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由這個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如下23 水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過(guò)程即在外部階躍輸入信號(hào)作用下過(guò)程原有的平衡狀態(tài)被破壞并在外部信號(hào)作用下自動(dòng)的非震蕩地穩(wěn)定到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)這一大類是在工業(yè)

14、生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的過(guò)程1 確定過(guò)程的輸入變量和輸出變量如下圖所示流入水箱的流量是由進(jìn)料閥1來(lái)控制的流出水箱的流量取決于水箱液位l和出料閥2的開(kāi)度而出料閥的開(kāi)庫(kù)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(jìn)料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥它所控制的進(jìn)料流量是過(guò)程的控制輸入即操縱量出料流量是外部擾動(dòng)本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量作為輸入變量2根據(jù)過(guò)程內(nèi)在機(jī)理列寫(xiě)原始方程根據(jù)物料平衡關(guān)系當(dāng)過(guò)程處于原有穩(wěn)定狀態(tài)是水箱液位保持不變其靜態(tài)方程為- 016分別為原穩(wěn)定狀態(tài)下水箱的進(jìn)料流量和出料流量當(dāng)進(jìn)料流量突然增大是水箱原來(lái)的平衡狀態(tài)被破壞此時(shí)進(jìn)料量大于出料量多余的液體在水箱內(nèi)儲(chǔ)存起來(lái)使其液位升高設(shè)水箱液體的儲(chǔ)存量為v

15、則單位時(shí)間內(nèi)出料流量與進(jìn)料流量之差等于水箱液體儲(chǔ)存量的凈增量其動(dòng)態(tài)方程為- 17 分別為和的增量設(shè)水箱截面積為a則有v al其增量形式為dv adl即18將 和式18代入式17得 19 將式19減去式16可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式為 1103消去中間變量簡(jiǎn)化求的微分方程式中間變量式原始方程式中出現(xiàn)的一些既不是輸入變量也不是輸出變量的工藝變量式110中為中間變量與輸出變量l的關(guān)系可表示為 比例系數(shù) 111當(dāng)只考慮液位與流量均在有限小的范圍內(nèi)變化式就可以認(rèn)為出料流量與液位變化呈線性關(guān)系將式111改寫(xiě)成增量形式 令則有 112將式112代入式110中即得 113式113即為水箱液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模

16、型由此可見(jiàn)這是一個(gè)一階微風(fēng)方程液位過(guò)程為一階過(guò)程將該式寫(xiě)成的一階過(guò)程的微風(fēng)方程的標(biāo)準(zhǔn)形式 114或 115為一階過(guò)程的時(shí)間常數(shù)具有時(shí)間量綱為一階過(guò)程的放大系數(shù)具有放大倍數(shù)的量綱為一階過(guò)程的輸出變量為一階過(guò)程的輸入變量為阻力系數(shù) 液位的變化量 出料流量的變化量為容量系數(shù) 儲(chǔ)存的物料變化量 液位的變化量當(dāng)被控變量的檢測(cè)地點(diǎn)與產(chǎn)生擾動(dòng)的地點(diǎn)之間由一段物料傳輸距離時(shí)就會(huì)出現(xiàn)滯后在控制過(guò)程中若進(jìn)料閥安裝在與水箱進(jìn)料口有一段距離則當(dāng)進(jìn)料閥開(kāi)度變化而引起進(jìn)料流量變化后液體需要經(jīng)過(guò)一段傳輸時(shí)間才能流入水箱使液位發(fā)生變化并被檢測(cè)出來(lái)顯然液體流經(jīng)這段距離所需時(shí)間完全是傳輸滯后造成的純滯后一階過(guò)程的微風(fēng)方程為具有純

17、滯后的一階過(guò)程的特性與放大系數(shù)時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間有關(guān)綜上所述水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)一階自衡過(guò)程其特性可用放大系數(shù)時(shí)間常數(shù)和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來(lái)全面表征 水箱液位控制系統(tǒng)的組成本設(shè)計(jì)研究的水箱液位控制系統(tǒng)是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是使用的族普遍的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種過(guò)程控制系統(tǒng)所謂的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通常是指一個(gè)被控對(duì)象一個(gè)檢測(cè)變送單元檢測(cè)元件及變送器一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行器控制閥所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)31 被控制變量的選擇被控變量的選擇是控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題被控變量選擇的正確與否是決定控制系統(tǒng)有無(wú)價(jià)值的關(guān)鍵對(duì)于任何一個(gè)控制系統(tǒng)總是希望其能夠在穩(wěn)定生產(chǎn)操作增加產(chǎn)品產(chǎn)量保證生產(chǎn)安全及改善勞動(dòng)條件等方面發(fā)揮作用

18、如果被控變量學(xué)則不當(dāng)配備再好的自動(dòng)化儀表使用在復(fù)雜先進(jìn)的控制規(guī)律也無(wú)用的都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果對(duì)于水箱液位控制系統(tǒng)其被控變量是顯而易見(jiàn)的液位就是其被控變量是直接參數(shù)控制32 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器在控制系統(tǒng)中起著極其重要的作用控制系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)與執(zhí)行器的性能和正確選用有著十分密切的關(guān)系執(zhí)行器接受控制其輸出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)操縱變量的改變從而使被控變量向設(shè)定值靠攏執(zhí)行器位于控制回路的最總端因此又稱為最終元件本設(shè)計(jì)所使用的執(zhí)行器為控制閥也稱調(diào)節(jié)閥控制閥發(fā)裝現(xiàn)場(chǎng)通常在高溫高壓高粘度強(qiáng)腐蝕易滲透易結(jié)晶易燃易爆劇毒等場(chǎng)合下工作如果選擇不當(dāng)或維修不妥就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)表明控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的

19、原因多數(shù)發(fā)生在控制閥上對(duì)于系統(tǒng)控制閥的選擇很重要控制閥接受控制器輸出的控制信號(hào)通過(guò)改變閥的開(kāi)度來(lái)達(dá)到控制流量的目的控制閥有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)是根據(jù)可能稚氣的控制信號(hào)產(chǎn)生推力或位移的裝置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)去改變能量或物料輸送量的裝置控制閥按其能源形式可分為氣動(dòng)電動(dòng)液動(dòng)三大類液動(dòng)控制閥推力最大但比較笨重目前已經(jīng)極少使用電動(dòng)控制閥的能源取用方便信號(hào)傳遞迅速但結(jié)構(gòu)復(fù)雜防爆性能差氣動(dòng)控制閥采用壓縮空氣作為能源其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單動(dòng)作可靠平穩(wěn)輸出推力較大維修方便防火防爆而且價(jià)格較低因此得到廣泛應(yīng)用氣動(dòng)控制閥可以方便的與電動(dòng)儀表配套使用即使是采用電動(dòng)儀表或計(jì)算機(jī)控制時(shí)只要經(jīng)過(guò)電氣轉(zhuǎn)換

20、閥門(mén)定位器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為20100kpa的標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)仍可采用氣動(dòng)控制閥調(diào)節(jié)閥基型產(chǎn)品即普通產(chǎn)品按基型結(jié)構(gòu)特征分為幾大類產(chǎn)品它們是直通單座閥直通雙座閥套筒閥角形閥三通閥隔膜閥蝶閥球閥偏心旋轉(zhuǎn)閥其中前6種為直行程調(diào)節(jié)閥后3種為角行程調(diào)節(jié)閥必須首先弄清楚基型產(chǎn)品的特點(diǎn)使用注意事項(xiàng)各類變型產(chǎn)品改進(jìn)產(chǎn)品與單座閥相反具有泄漏大許用壓差大的特點(diǎn)適用于泄漏要求不嚴(yán)工作壓差大的干凈介質(zhì)場(chǎng)合是應(yīng)用最為廣泛的閥之一3套筒閥套筒閥具有單密封雙密封兩種結(jié)構(gòu)前者相當(dāng)于單座閥后者相當(dāng)于雙座閥適用于雙座閥場(chǎng)合除此之外套筒閥還具有穩(wěn)定性好裝卸方便的特點(diǎn)但價(jià)格比單雙座閥貴50200還需要專門(mén)的纏繞密封墊是僅次于單雙座閥應(yīng)用較為

21、廣泛的閥4角形閥節(jié)流型式相當(dāng)于單座閥但閥體流路簡(jiǎn)單適用于泄漏要求小壓差不大的不干凈介質(zhì)場(chǎng)合以及要求直角配管的場(chǎng)合5三通閥具有3個(gè)通道可代替兩個(gè)直通單座閥用于分流和合流及兩相流溫度差成150的場(chǎng)合當(dāng)dn 80mm儀表工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)工作6隔膜閥隔膜閥流路簡(jiǎn)單隔膜具有一定的耐蝕性能適用于不干凈介質(zhì)和弱腐蝕性介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合7蝶閥相當(dāng)于取一段直管來(lái)做閥體且閥體又相當(dāng)于閥座自潔性能好體積小重量輕適用于不干凈介質(zhì)和大口徑大流量低壓差的場(chǎng)合當(dāng)dn 300mm時(shí)通常采用蝶閥8球閥o形球閥全開(kāi)時(shí)為無(wú)阻調(diào)節(jié)自潔性能最佳適用于特別不干凈含纖維介質(zhì)的兩位切斷場(chǎng)合v形球閥具有近似等百分比的調(diào)節(jié)特性適用于不干凈含纖維介

22、質(zhì)可調(diào)比較大的調(diào)節(jié)場(chǎng)合球閥價(jià)格較貴9偏心旋轉(zhuǎn)閥該閥介于蝶閥和球閥之間自潔性能好調(diào)節(jié)性能好亦可切斷適用于不干凈介質(zhì)和泄漏要求小的調(diào)節(jié)場(chǎng)合但該閥價(jià)格較貴浮球式液位變送器浮球式液位變送器由磁性浮球測(cè)量導(dǎo)管信號(hào)單元電子單元接線盒及安裝件組成一般磁性浮球的比重小于05可漂于液面之上并沿測(cè)量導(dǎo)管上下移動(dòng)導(dǎo)管內(nèi)裝有測(cè)量元件它可以在外磁作用下將被測(cè)液位信號(hào)轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號(hào)并將電子單元轉(zhuǎn)換成420ma或其它標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出該變送器為模塊電路具有耐酸防潮防震防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護(hù)電路可使輸出最大電流不超過(guò)28ma因而能夠可靠地保護(hù)電源并使二次儀表不被損壞浮簡(jiǎn)式液位變送器浮筒式液位變

23、送器是將磁性浮球改為浮筒它是根據(jù)阿基米德浮力原理設(shè)計(jì)的浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應(yīng)變傳感技術(shù)來(lái)測(cè)量液體的液位界位或密度的它在工作時(shí)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)按鍵來(lái)進(jìn)行常規(guī)的設(shè)定操作靜壓或液位變送器該變送器利用液體靜壓力的測(cè)量原理工作它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償最后以420ma或010ma電流方式輸出電容式物位變送器電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量和控制生產(chǎn)過(guò)程主要用作類導(dǎo)電與非導(dǎo)電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量和指示電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成它以兩線制420ma恒定電流輸出為基型經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可以

24、用三線或四線方式輸出輸出信號(hào)形成為15v05v010ma等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電容傳感器由絕緣電極和裝有測(cè)量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成當(dāng)料位上升時(shí)因非導(dǎo)電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)所以電容量隨著物料高度的變化而變化變送器的模塊電路由基準(zhǔn)源脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換恒流放大反饋和限流等單元組成采用脈寬調(diào)特原理進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是頻率較低對(duì)周圍元射頻干擾穩(wěn)定性好線性好無(wú)明顯溫度漂移等超聲波變送器超聲波變送器分為一般超聲波變送器無(wú)表頭和一體化超聲波變送器兩類一體化超聲波變送器較為常用一體化超聲波變更新器由表頭如lcd顯示器和探頭兩部分組成這種直接輸出420ma信號(hào)的變送器是將小型化的敏感元件探頭和電子電路組裝在一起從而使

25、體積更小重量更輕價(jià)格更便宜超聲波變送器可用于液位物位的測(cè)量和開(kāi)渠明渠等流量測(cè)量并可用于測(cè)量距離 比例增益某值在一定范圍內(nèi)可調(diào)在相同偏差輸入下越大輸出也越大比例控制作用越強(qiáng)因此是衡量比例作用弱的一個(gè)重要參數(shù) 比例控制器傳遞函數(shù)在階躍偏差作用下比例控制器響應(yīng)曲線比例控制是最基本的控制規(guī)律其特點(diǎn)是控制作用簡(jiǎn)單調(diào)整方便且負(fù)荷變化時(shí)克服擾動(dòng)能力強(qiáng)控制作用及時(shí)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短但因控制器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)之間在任何時(shí)刻都存在之比例關(guān)系所以過(guò)程終了時(shí)存在偏差且負(fù)荷變化越大余差也越大比例控制對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響比例控制的控制作用效果如何關(guān)鍵問(wèn)題在于選擇合適的比例度比例度時(shí)指控制器輸入的變化相對(duì)值與輸出的相對(duì)變化

26、值之比的百分?jǐn)?shù)即 控制器的輸入信號(hào)的變化量即偏差信號(hào)控制器的輸出信號(hào)的變化量即控制命令控制器的輸入信號(hào)的變化范圍即量程控制器輸出信號(hào)的變化范圍將比例控制器切入系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)其比例度對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響如圖余差在擾動(dòng)如負(fù)荷及設(shè)定值變化時(shí)控制系統(tǒng)有余差存在在相同的負(fù)荷變化量的擾動(dòng)下比例度越小余差越小在比例度相同的情況下負(fù)荷變化量越大則余差越大對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響有圖可看出比例度越大過(guò)渡過(guò)程的曲線越平穩(wěn)隨著比例度的減少系統(tǒng)將發(fā)散振蕩程度增加衰減比減少穩(wěn)定性變差當(dāng)減少到某一數(shù)值時(shí)系統(tǒng)將發(fā)散振蕩十分危險(xiǎn)有時(shí)甚至造成重大事故對(duì)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的影響由圖可見(jiàn)隨比例度的減少振蕩加劇振蕩頻率提高將被控量拉回到設(shè)定值所

27、需時(shí)間就短一般而言在廣義對(duì)象的放大系數(shù)較小時(shí)間常數(shù)較大時(shí)滯較小的情況下比例度選的小些以提高系統(tǒng)靈敏度反之當(dāng)廣義對(duì)象的放大系數(shù)較大時(shí)間常數(shù)較小而時(shí)滯較大的情況下必須適當(dāng)增大比例度以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)最大偏差的影響最大偏差在兩類外作用下不一樣在擾動(dòng)作用下越小最大偏差越小在設(shè)定作用下是系統(tǒng)處于衰減振蕩時(shí)越小最大偏差越大有上述可知只有當(dāng)比例度的取值適當(dāng)是才可能取得系統(tǒng)呈衰減振蕩最大偏差和余差都不太大過(guò)程穩(wěn)定快回復(fù)時(shí)間短的控制效果在工業(yè)生產(chǎn)中近長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)液位控制系統(tǒng)大致取值范圍為2080在控制器的控制規(guī)律中比例作用是最基本最主要也是應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律它能較為迅速地克服擾動(dòng)的影響使系統(tǒng)很快的確定下來(lái)通

28、常使用干擾幅度較小負(fù)荷變化不大過(guò)程時(shí)滯較小控制要求不高允許有余差存在的場(chǎng)合在液位控制系統(tǒng)中往往只要求液位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)并沒(méi)有嚴(yán)格要求即可采用比例控制42積分控制i積分控制規(guī)律是指輸出變化量與輸入變化量積分成正比即 積分速度積分控制特點(diǎn)積分控制主要用于消除余差但作用緩慢總滯后與偏差的存在不能及時(shí)有效的克服擾動(dòng)的影響致使被控變量的動(dòng)態(tài)偏差增大控制過(guò)程拖長(zhǎng)甚至使系統(tǒng)難以穩(wěn)定因此積分控制規(guī)律在工業(yè)生產(chǎn)上很少單獨(dú)使用都是與比例作用組合來(lái)使用的43微分控制d微分控制規(guī)律是指其輸出信號(hào)的變化量與偏差信號(hào)的變化速度成正比即 微分時(shí)間微分控制規(guī)律特點(diǎn)微分控制作用是按偏差的變化速度進(jìn)行控制的因此它具有超前控制作

29、用其控制的結(jié)果不能消除偏差所以控制規(guī)律不能單獨(dú)使用它常與比例或比例積分組合構(gòu)成比例微分或比例積分微分控制規(guī)律而從實(shí)際使用情況來(lái)看比例微分控制規(guī)律使用的較少在生產(chǎn)上微分往往與比例積分結(jié)合在一起使用組成pid控制44比例積分控制pi比例積分控制規(guī)律是比例作用與積分作用的疊加其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 比例項(xiàng) 是積分項(xiàng) 積分時(shí)間 比例積分控制是在比例控制作用的基礎(chǔ)上引入積分作用來(lái)消除余差故比例積分控制是使用最多應(yīng)用最廣的控制規(guī)律在反饋控制系統(tǒng)中約有75是采用pi作用的但是加入積分作用后會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低要保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性必須加大比例度即削弱比例作用這又會(huì)使2質(zhì)量有所下降如最大偏差和振蕩周期相應(yīng)增大過(guò)渡時(shí)間加

30、長(zhǎng)對(duì)于控制通道滯后較小負(fù)荷變化不太大工藝參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合如流量或壓力控制采用比例積分控制規(guī)律可獲得較好的控制質(zhì)量45比例積分微分控制pid理想比例積分微分控制規(guī)律pid的表達(dá)式雖然微分作用對(duì)于克服容量滯后有顯著的效果但對(duì)克服純滯后是無(wú)能為力的在比例作用的基礎(chǔ)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(dāng)調(diào)整三個(gè)參數(shù)可以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量由于pid控制規(guī)律集中了三種控制作用的優(yōu)點(diǎn)既能快速進(jìn)行控制有能消除偏差還可以根據(jù)被控制變量的變化趨勢(shì)超前動(dòng)作具有較好的控制性能所以在實(shí)際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用 第5章 利用matlab進(jìn)行仿真設(shè)計(jì) 51matlab設(shè)計(jì)雙容水箱液位

31、串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)52 matlab設(shè)計(jì)任務(wù)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)由水泵12分別通過(guò)支路12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(guò)變頻器對(duì)下水箱液位施加干擾試設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定com 雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖53 matlab設(shè)計(jì)要求1已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為要求畫(huà)出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖并分別對(duì)系統(tǒng)在有無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真假設(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001的白噪聲2 針對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制要求畫(huà)出控制系統(tǒng)方框圖并分別對(duì)控制系統(tǒng)在有無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真其中pid參數(shù)的整定要求寫(xiě)

32、出整定的依據(jù)選擇何種整定方法pid各參數(shù)整定的依據(jù)如何對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述3 針對(duì)該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方案要求畫(huà)出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述54 matlab設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測(cè)試法建模兩種機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況測(cè)試法建模是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的實(shí)際情況對(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到測(cè)試法建模一般較機(jī)理法建模簡(jiǎn)單特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象對(duì)于本設(shè)計(jì)而言由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知故采用機(jī)理建模法串級(jí)控制雙容液位過(guò)comcom 串級(jí)控制的雙容液位過(guò)程兩容器的流

33、出閥均為手動(dòng)閥門(mén)流量只與容器1的液位有關(guān)與容器2的液位無(wú)關(guān)容器2的液位也不會(huì)影響容器1的液位兩容器無(wú)相互影響由于兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門(mén)故有非線性方程 4-1 4-2 過(guò)程的原始數(shù)據(jù)模型為 4-3 令容器1容器2相應(yīng)的線性水阻分別為和 4-4 4-5 其中為容器1的初始液位為容器2的初始液位則有過(guò)程傳遞函數(shù) 4-6 4-7 而由式2-41可以退出 4-8 因此有 4-9 令時(shí)間常數(shù)和最終可得該過(guò)程的傳遞函數(shù)為 4-10 可見(jiàn)雖然容器1的液位會(huì)影響容器2的液位但容器2的液位不會(huì)影響容器1二者不存在相互影響過(guò)程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個(gè)容器分別獨(dú)立時(shí)的傳遞函數(shù)相乘但過(guò)程增益為兩個(gè)獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1r

34、1倍令qi ku對(duì)液位h則控制系統(tǒng)過(guò)程傳遞函數(shù)為 4-11 由上述分析可知該過(guò)程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)相當(dāng)于兩個(gè)具有穩(wěn)定趨勢(shì)的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)因此也是一個(gè)具有自平衡能力的過(guò)程其中時(shí)間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢時(shí)間常數(shù)越小系統(tǒng)對(duì)輸入的反應(yīng)越快反之若時(shí)間常數(shù)較大即容器面積較大則反應(yīng)較慢由于該過(guò)程為兩個(gè)一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)過(guò)程等效時(shí)間常數(shù)故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多因此通常可用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來(lái)近似無(wú)相互影響的多容系統(tǒng)在該液位控制系統(tǒng)中建模參數(shù)如下控制量水流量q被控量下水箱液位控制對(duì)象特性上水箱傳遞函數(shù) 下水箱傳遞函數(shù)控制器pid執(zhí)行器控制閥干擾信號(hào)在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后施加均

35、值為0方差為001的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送至控制器pid控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較產(chǎn)生輸出信號(hào)作用于執(zhí)行器控制閥從而改變流量調(diào)節(jié)水位當(dāng)對(duì)象是單水箱時(shí)通過(guò)不斷調(diào)整pid參數(shù)單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效果系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力該設(shè)計(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)整個(gè)對(duì)象控制通道相對(duì)較長(zhǎng)如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)上水箱有干擾時(shí)此干擾經(jīng)過(guò)控制通路傳遞到下水箱會(huì)有很大的延遲進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后影響控制效果在實(shí)際生產(chǎn)中如果干擾頻繁出現(xiàn)無(wú)論如何調(diào)整pid參數(shù)都將無(wú)法得到滿意的效果考慮到串級(jí)控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)及早控制在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋檢測(cè)上

36、水箱液位將液位信號(hào)送至副控制器然后直接作用于控制閥以此得到較好的控制效果設(shè)計(jì)中首先進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模系統(tǒng)框圖如下com 單回路閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖在無(wú)干擾情況下整定主控制器的pid參數(shù)整定好參數(shù)后分別改變pid參數(shù)觀察各參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響然后加入干擾白噪聲比較有無(wú)干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化然后加入副回路副控制器再有干擾的情況下比較單回路控制串級(jí)控制系統(tǒng)性能的變化串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如下com 串級(jí)控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)實(shí)施方案圖如下com 串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)施方案圖55 matlab設(shè)計(jì)內(nèi)容com的設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是定值控制其設(shè)計(jì)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類似設(shè)計(jì)過(guò)程可以按照簡(jiǎn)單控

37、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行這里主要解決串級(jí)控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問(wèn)題主要包括如何選取副被控參數(shù)確定主副回路的原則等問(wèn)題 com的設(shè)計(jì) 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng) 對(duì)包含在其中的二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力二次擾動(dòng)通過(guò)主副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過(guò)程中變化劇烈頻繁幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中此外要盡可能包含較多的擾動(dòng) 歸納如下 1 在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中 2 將更多的擾動(dòng)包括在副回路中 3 副被控過(guò)程的滯后不能太大以保持副回路的快速相應(yīng)特性 4 要將被控對(duì)象具有明顯非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中 5 在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)可選流量為

38、副被控量 在這里要注意 2 和 3 存在明顯的矛盾將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過(guò)大這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮因此在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧 2 和 3 的綜合com副回路的匹配 1 主副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)同時(shí)也要注意主副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問(wèn)題副回路中如果包括的擾動(dòng)越多其通道就越長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)就越大副回路控制作用就不明顯了其快速控制的效果就會(huì)降低如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用原則上在設(shè)計(jì)中要保證主副回路擾動(dòng)數(shù)量時(shí)間常數(shù)之比值在310之間比值過(guò)高即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得

39、太多副回路反應(yīng)靈敏控制作用快但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過(guò)少對(duì)于改善系統(tǒng)的控制性能不利比值過(guò)低副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)副回路雖然對(duì)改善被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性有益但是副回路的控制作用缺乏快速性不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)主副回路共振現(xiàn)象系統(tǒng)不能正常工作 2 主副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中主副調(diào)節(jié)器的作用是不同的主調(diào)節(jié)器是定值控制副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同主回路一般要求無(wú)差主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取pi或pid控制規(guī)律副回路要求起控制的快速性可以有余差一般情況選取p控制規(guī)律而不引入i或 d 控制如果引入 i 控制會(huì)

40、延長(zhǎng)控制過(guò)程減弱副回路的快速控制作用也沒(méi)有必要引入 d控制因?yàn)楦被芈凡捎?p控制已經(jīng)起到了快速控制作用引入d控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制 3 主副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路主副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋確定過(guò)程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式com 單回路pid控制的設(shè)計(jì)matlab仿真框圖如下無(wú)干擾com 無(wú)干擾單回路matlab仿真框圖先對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行pid參數(shù)整定這里采用衰減曲線法衰減比為101將積分時(shí)間ti調(diào)為最大值即matl

41、ab中i參數(shù)為0微分時(shí)間常數(shù)td調(diào)為零比例帶為較大值即matlab中k為較小值待系統(tǒng)穩(wěn)定后做階躍響應(yīng)系統(tǒng)衰減比為101時(shí)階躍響應(yīng)如下圖參數(shù)k1 98ti 無(wú)窮大td 0com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖經(jīng)觀測(cè)此時(shí)衰減比近似101周期ts 14sk 98c根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式得到pid參數(shù) k1 9854 1225取12ti 12ts 168s注matlab中i 1ti 006td 04ts 56s使用以上pid整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下參數(shù)k1 12ti 168td 56com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖觀察以上曲線可以初步看出經(jīng)參數(shù)整定后系統(tǒng)的性能有了很大

42、的改善現(xiàn)用控制變量法分別改變pid參數(shù)觀察系統(tǒng)性能的變化研究各調(diào)節(jié)器的作用保持id參數(shù)為定值改變p參數(shù)階躍響應(yīng)曲線如下參數(shù)k1 16ti 168td 56com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)k1 20ti 168td 56com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同p參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知隨著k的增大最大動(dòng)態(tài)偏差增大余差減小衰減率減小振蕩頻率增大保持pd參數(shù)為定值改變i參數(shù)階躍響應(yīng)曲線如下參數(shù)k1 12ti 10td 56com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)k1 12ti 1td 56com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同i參

43、數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知有i調(diào)節(jié)則無(wú)余差而且隨著ti的減小最大動(dòng)態(tài)偏差增大衰減率減小振蕩頻率增大保持pi參數(shù)為定值改變d參數(shù)階躍響應(yīng)曲線如下參數(shù)k1 12ti 168td 86com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)k1 12ti 168td 116com 單回路matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同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)的增大最大動(dòng)態(tài)偏差減小衰減率增大振蕩頻率增大現(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾以檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力系統(tǒng)的仿真框圖如下com 有干擾單回路matlab仿真框圖階躍響應(yīng)曲線如下參數(shù)k1 12ti 168td 56 com擾單回路matlab仿真階躍響

44、應(yīng)曲線波形圖觀察以上曲線并與無(wú)干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可知系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大在干擾作用時(shí)很難穩(wěn)定下來(lái)出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的小幅震蕩由此可見(jiàn)單回路控制系統(tǒng)在有干擾的情況下很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能考慮串級(jí)控制com制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的matlab仿真框圖如下有噪聲com 有噪聲串級(jí)控制系統(tǒng)的matlab仿真框圖當(dāng)無(wú)噪聲時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示參數(shù)k1 12ti 168td 56k2 03 com聲串級(jí)控制matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知串級(jí)控制降低了最大偏差減小了振蕩頻率大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間現(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲觀察不同p條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線參數(shù)k1 12ti 168td 56k2 05 com聲串級(jí)控制matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)k1 12ti 168td 56k2 10 com聲串級(jí)控制matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)k1 12ti 168td 56k2 15 com聲串級(jí)控制matlab仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖觀察以上曲線可知當(dāng)副回路控制器調(diào)節(jié)時(shí)間都有所縮短系統(tǒng)快速性增強(qiáng)了在