《过程控制技术》课程设计-单容水箱液位串级控制系统设计与仿真

设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：单容水箱液位串级控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 2014级电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年 7月 1日过程控制技术课程设计任务书全套设计加扣 3012250582一、 设计题目单容水箱液位串级控制系统的设计与仿真主要内容1、以THJ-2高级过程控制实验对象系统的中水箱和下水箱作为为研究对象，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的上水箱、下水箱的传递函数。2、利用MATLAB的Simulink搭建双容水箱PID控制系统，用单回路控制方案和串级控制方案方案。3、分别整定两种控制方案的控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。三、设计要求1、分析控制系统各个环节的动态特性，建立被控对象的数学模型。2、根据其数学模型，选择控制方案3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，整定调节器参数。4、根据整定的参数，得出控制效果曲线，并对结果进行比较分析，得出结论。四、设计步骤1、查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2、设计实验方案，给出实验接线图。得出对象的数学模型。3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，分析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设计说明书要求1、完整的设计任务书。2、查找文献资料，阐述设计的目的和意义。3、被控对象简介，控制方案的选择（被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等），给出实验线路。5、被控对象数学模型的建立。6、在Matlab上进行模型的搭建与仿真。7、结论。8、设计体会（可选）.9、参考文献. 2017年 7月 1日至 2017 年 7月 7日（1周）指导教师 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目：单容水箱液位串级控制系统设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级：2014级电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目录目录41、设计任务分析51.1背景51.2设计内容及目的52、控制系统总体方案设计62.1 双容液位控制系统对象简介62.2 控制系统的方案选择62.1.3被控参数及控制参数的选择62.1.3测量变送器的选择62.1.3执行器的选择62.1.3控制器的选择63、被控对象数学模型的建立73.1 被控对象数学模型的建立的方法简介73.2 被控对象数学模型的建立74、在Matlab上进行模型的搭建与仿真84.1 在Matlab上进行模型的搭建84.2 控制器的参数整定84.2.1临界比例度整定方法84.2.2*整定方法84.3 整定后的阶跃响应曲线85、结论91、设计任务分析1.1背景 随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高，因此，复杂过程控制系统应用越来越广泛，另一方面，自动控制理论的发展，一些新型的先进的控制方法在工业生产过程控制中得到了逐应用，但是这些先进控制方法需要比较复杂的运算，往往需要借助计算机数字控制来实现。 1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：单容水箱液位串级控制系统设计与仿真。 建立了基于单片机编程语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，利用MATLAB应用软件对系统进行仿真得到图线。系统由进出水阀门，单片机，A/D转换器，D/A转换器，传感器，显示电路和键盘电路等组成。整个过程保持进水阀的开度比例不变，由传感器检测电路连续不断地相应液位值，送入A/D转换器中处理，输出的数字量送给单片机，控制显示电路实时显示实际液位值，由键盘输入设定值，控制器比较其值控制出水阀门的开度比例，以保持液位稳定在要求范围内。本设计构建串级控制系统，通过PID控制算法，对水箱水位进行控制，很好的适应了工业的发展。2、控制系统总体方案设计2.1 单容液位串级控制系统对象简介 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。 做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 实验对象总貌图如图2-1所示 实验对象总貌图如图2-1 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 （a）结构图 （b）方框图2.2 控制系统的方案选择 方案一：单回路控制。单回路系统一般是指针对一个被控过程，采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控质量要求不高的场合。 方案二：串级控制。串级控制系统比单回路系统在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环。其主回路是一个定值控制系统，而副回路则为一个随动系统。 比较两种方案，可见串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，对系统的动态性能和抗扰动能力有更高的提升。因此选用串级控制系统。2.1.3被控参数及控制参数的选择 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器先P控制规律就可以了，若引入积分规律，还会延长控制过程，减弱副回路的快速作用，若引入微分控制规律会使调节阀动作过大，对控制不利，因此在本设计中，主控制器选用PID调节器，副控制器选用P调节器，并采用两步整定法对该串级控制系统进行整定。2.1.3测量变送器的选择 液位变送器：液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。2.1.3执行器的选择 调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。 变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。 可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。2.1.3控制器的选择 控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。 3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介 方案一：机理分析法建模，即理论建模。机理建模是根据过程的内部机理（运动规律），运用一些已知的定律、原理，如生物学定律、化学动力学原理、物料平衡方程、能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。其最大的特点是当生产设备还处于设计阶段就能建立其数学模型。只能用于简单过程的建模， 方案二：试验法建模，此方法是在实际的生产过程（设备）中，根据过程输入、输出的实验数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。其特点是不需要深入了解过程的机理。但是必须设计一个合理的实验，以获得过程所含的最大信息量。常采用阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线来辨识过程的模型。 两种方案相比，机理建模有着很大的局限性，对实际过程的机理并非完全了解，另外，实际工业过程多半有非线性因素，在进行数学推导时常常作了一些近似与假设，虽然这些近似和假设具有一定的实际依据，但并不能完全反映实际情况，甚至会带来估计不到的影响，而利用试验法建模如何设计一个合理的实验来获得过程所含的最大信息量，是很困难的，因此在本设计中，先通过机理分析确定模型的结构形式，再通过实验数据来确定模型中各系数的大小。3.2 单容液位串级控制数学模型的建立Go（s）=11.449/（554.38s+1）4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建 4.2 控制器的参数整定4.2.1临界比例度整定方法 这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表4-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。表4-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2kPI2.2kT