《過(guò)程控制技術(shù)》課程設(shè)計(jì)-水箱液位與進(jìn)水流量前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)過(guò)程控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 題 目： 水箱液位和進(jìn)水流量前饋反饋控制系統(tǒng) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)（方向）年級(jí)： 14電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電氣工程系2017年 7月 1日過(guò)程控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)全套設(shè)計(jì)加扣 30122505821、 設(shè)計(jì)題目液位流量前饋反饋設(shè)計(jì)與仿真2、 主要內(nèi)容1、以THJ-3高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)的下水箱液位作為為研究對(duì)象，進(jìn)水流量為主要的擾動(dòng)，設(shè)計(jì)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(shù)以及進(jìn)水流量為主要的擾動(dòng)的傳遞函數(shù)。2、利用MATLAB的

2、Simulink搭建水箱液位與進(jìn)水流量前款反饋控制系統(tǒng)。3、整定控制器的PID參數(shù)，并給出整定后的階躍響應(yīng)曲線并進(jìn)行分析，得出結(jié)論。（進(jìn)水流量為主要擾動(dòng)）三、設(shè)計(jì)要求1、分析控制系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。2、根據(jù)其數(shù)學(xué)模型，選擇控制方案3、在Matlab上進(jìn)行模型的搭建與仿真，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。4、根據(jù)整定的參數(shù)，得出控制效果曲線，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出結(jié)論。四、設(shè)計(jì)步驟1、查找資料，了解和分析題目所要求具體工程項(xiàng)目控制的過(guò)程。2、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，給出實(shí)驗(yàn)接線圖。得出對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。3、在Matlab上進(jìn)行模型的搭建與仿真，分析仿真曲線，得出結(jié)論4、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。五、設(shè)

3、計(jì)說(shuō)明書(shū)要求1、完整的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。2、查找文獻(xiàn)資料，闡述設(shè)計(jì)的目的和意義。3、被控對(duì)象簡(jiǎn)介，控制方案的選擇（被控參數(shù)選擇、控制參數(shù)選擇、測(cè)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(shí)驗(yàn)線路。5、被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立。6、在Matlab上進(jìn)行模型的搭建與仿真。7、結(jié)論。8、設(shè)計(jì)體會(huì)（可選）.9、參考文獻(xiàn). 2017年 7月 3日至 2017 年 7月 7日（1周）指導(dǎo)教師 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)過(guò)程控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè) 計(jì) 題 目： 水箱液位與進(jìn)水流量前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)（方向）年級(jí)： 14電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名：

4、 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院電氣工程系2017 年 7月7日目錄目錄11、設(shè)計(jì)任務(wù)分析11.1背景11.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及目的12、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)22.1 水箱液位與進(jìn)水流量前饋反饋控制系統(tǒng)對(duì)象簡(jiǎn)介22.2 控制系統(tǒng)的方案選擇22.2.1被控參數(shù)及控制參數(shù)的選擇22.2.2測(cè)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(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立43.1 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立的方法簡(jiǎn)介43.2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立44、在Matlab上進(jìn)行模型的搭建與仿真64.1 在Matlab上進(jìn)行模型的搭建64.2 控制器的參數(shù)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(yīng)曲線85、結(jié)論101、設(shè)計(jì)任務(wù)分析1.1背景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、

6、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。選用合適的器件設(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。1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容及目的設(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。2、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 水箱液位與進(jìn)

7、水流量前饋反饋控制系統(tǒng)對(duì)象簡(jiǎn)介以THJ-3高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象系統(tǒng)簡(jiǎn)介（實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)）本課程設(shè)計(jì)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：2.2 控制系統(tǒng)的方案選擇方案選擇包括被控參數(shù)選擇、控制參數(shù)選擇、測(cè)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(shù)及控制參數(shù)的選擇被控參數(shù)的選擇是控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題，被控參數(shù)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，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，液位就是其被控參數(shù)，是直接參數(shù)控制。2.2.2測(cè)量變送器的選擇測(cè)量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來(lái)對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位

9、進(jìn)行檢測(cè)，其量程為05KP，精度為0.5級(jí)。采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源，輸出：420mADC。2.2.3執(zhí)行器的選擇1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。2水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為

10、16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)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(zhǎng)。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。3電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)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(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送裝置送來(lái)的測(cè)量信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，并按預(yù)先設(shè)置好的控制規(guī)律對(duì)該偏差進(jìn)行預(yù)算，產(chǎn)生輸出型號(hào)去操縱執(zhí)行器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(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d、IT、DT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。3、被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立3.1 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立的方法簡(jiǎn)介該系統(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

12、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)生產(chǎn)過(guò)程中最常見(jiàn)的過(guò)程。3.2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立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1F是由進(jìn)料閥1來(lái)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(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1F是過(guò)程的控制輸入（即操縱量），出料流量2F是外部擾動(dòng)。本設(shè)計(jì)以進(jìn)料流量1F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

13、程為：10F-20F=0（16），10F、20F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1F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，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：分別為1F和2F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：將得將式（19）減去式（16）可得用新增量形式表示的動(dòng)態(tài)方程式，為：（3）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

14、。與輸出變量L的關(guān)系可表示為：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：則有： 將式（112）代入式（110）中，即得 式（113）即為水箱液位過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。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：或 T為一階過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，RCT=,具有時(shí)間量綱；K為一階過(guò)程的放大系數(shù)，具有放大倍數(shù)的量綱；y（t）為一階過(guò)程的輸出變量；X（t）為一階過(guò)程的輸入變量；R為阻力系數(shù)，R=液位的變化量/出料流量的變化量；C為容量系數(shù)，C=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

15、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：具有純滯后的一階過(guò)程的特性與放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間0t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)K、時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間這三個(gè)特性參數(shù)來(lái)全面表征。4、在Matlab上進(jìn)行模型的搭建與仿真4.1 在Matlab上進(jìn)行模型的搭建4.2 控制器的參數(shù)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(kāi)，KP的值從小到大試驗(yàn)，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(jù)PID參數(shù)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(yùn)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(shí)驗(yàn)，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(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)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(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。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(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進(jìn)行，是獲得過(guò)程臨界信息的最簡(jiǎn)便方法之一。對(duì)一階慣性加純遲延的對(duì)象，時(shí)間常數(shù)T較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí);對(duì)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(jìn)行的。設(shè)TI=，TD=0，使調(diào)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(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖3-4所示。根據(jù)臨界比例度k和振蕩周期TS，按表3-2所列的經(jīng)驗(yàn)算式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)值，這種整定方法是以得到4：1衰減為目標(biāo)。

18、表3-2 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)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(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單方便，但此法有一定限制。首先要產(chǎn)生允許受控變量能承受等幅振蕩的波動(dòng)，其次是受控對(duì)象應(yīng)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(huì)出現(xiàn)等幅振蕩的。在求取等幅振蕩曲線時(shí)，應(yīng)特別注意控制閥出現(xiàn)開(kāi)、關(guān)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(jīng)介紹。4.3 整定后的階躍響應(yīng)曲線4.4 加入前饋控制后的Matlab上進(jìn)行模型的搭建調(diào)節(jié)各種整定參數(shù)后的階躍響應(yīng)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(jié)論通過(guò)這次設(shè)計(jì)使我明白到有些東西看上去非常簡(jiǎn)單，當(dāng)自己置身其中去做時(shí)，并不容易了。在課程設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，我也發(fā)現(xiàn)了自己所應(yīng)該改進(jìn)或是較為缺乏的部分，其一是分析問(wèn)題的能力：可能是自己學(xué)習(xí)的不夠扎實(shí)，實(shí)習(xí)中碰到了不少釘子，遇到問(wèn)題時(shí)頭腦很茫然；二是解決問(wèn)題的成熟度：這也許是個(gè)性使然，再加上缺少經(jīng)驗(yàn)