双闭环比值控制系统课程设计.doc

〈〈过程控制?课程设计报告题 目：双闭环比值控制系统的分析与设计姓 名： 王飞 学 号： 20216206 专 业： 自动化 年 级： 2021级 指导教师： 李天华 双闭环比值控制系统的分析与设计目 录1任务书 11.1设计题目 11.2设计任务 11.3原始数据 21.4设计内容 22研究背景 33研究意义 44研究内容 45论文组织 55.1衰减曲线法整定主动量回路控制器参数 55.2反响曲线法整定从动量回路控制器参数 85.3双闭环比值控制系统仿真及性能测试 115.4双闭环比值控制系统的抗十扰能力检验 136双闭环比值控制与申级控制的区别， 以及各自的优缺点 166.1双闭环比值控制与申级控制的区别 166.2双闭环比值控制的优、缺点 176.3申级控制的优、缺点 177总结 178参考文献 1718附录：双闭环比值控制最终整定结果〔Simulink图〕双闭环比值控制系统的分析与设计1任务书1.1设计题目双闭环比值控制系统的分析与设计1.2设计任务在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系； 一旦比 例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚 至产生生产事故。

如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合 后送入炉膛；制药生产中要求药物和注入剂按比例混合； 造纸过程中为保证纸浆 浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例；水泥配料系统等等但凡两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统， 统称为比值控制系统主动量：起主导作用而乂不可控的物料流量 Q1;从动量---跟随主动量而变化的物料流量 Q2;比例系数：k=Q2Q1在生产过程中，根据工艺过程容许的负荷波动幅度、 干扰因素的性质和产品 质量的要求不同，实现对两种物料流量比值的控制方案也不同： 开环比值控制系 统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从动量随动控制回路组成，其流程图和方框图分别如图1和图2所示 通过主动量控制回路能克服主动量干扰， 实现对主动量的定值控制；通过从动量 控制回路抑制作用丁从动量回路的干扰， 从而使主、从动量均比拟稳定，能保持 在一定的比值，使总物料量保持稳定双闭环比值控制系统常用丁负荷变化或总 的物料变化比拟平■稳的工业生产过程本次设计要求设计一个双闭环比值控制系统G.作)同Gh(')图2双闭环比值控制系统方框图图1双闭环比值控制系统流程图(3)从对象广义传递函数为:G2(s)二3-5t ej(10s 1)(20s 1)(4)主动量回路和副动量回路均采用 PI控制规律;(5)主动量每隔100s变化，幅值分另U为[3 1 4 2 1].1.4设计内容1、 采用衰减曲线法整定主动量回路控制器参数；2、 采用反响曲线法整定从动量回路控制器参数；3、 在MATLAB/SIMULINK环境中建立双闭环比值控制系统，并投入运行， 估计系统阶跃响应曲线的超调量、上升时间和过渡过程时间；4、 检验双闭环比值控制系统的抗干扰能力： 主动量和从动量分别改变 10%, 检验系统的抗干扰能力。

5、 分析双闭环比值控制与申级控制的区别，以及各种的优缺点2研究背景在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系； 一旦比 例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚 至产生生产事故如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合 后送入炉膛；制药生产中要求药物和注入剂按比例混合； 造纸过程中为保证纸浆 浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例；水泥配料系统等等但凡两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统， 统称为比值控制系统主动量：起主导作用而乂不可控的物料流量 Q1;从动量---跟随主动量而变化的物料流量 Q2;比例系数：k=Q2Qi在生产过程中，根据工艺过程容许的负荷波动幅度、 干扰因素的性质和产品 质量的要求不同，实现对两种物料流量比值的控制方案也不同： 开环比值控制系 统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动 量变化的从动量随动控制回路组成，其流程图和方框图分别如图3和图4所示 通过主动量控制回路能克服主动量干扰， 实现对主动量的定值控制；通过从动量 控制回路抑制作用丁从动量回路的干扰， 从而使主、从动量均比拟稳定，能保持 在一定的比值，使总物料量保持稳定。

双闭环比值控制系统常用丁负荷变化或总#图3双闭环比值控制系统流程图图4双闭环比值控制系统方框图3研究意义通过Matlab软件仿真双闭环比值控制系统，从而掌握双闭环比值控制系统的根本概 念，组成结构；通过仿真，掌握双闭环比值控制系统主动量回路和从动量控制回路的参数 整定掌握工程软件Matlab软件的使用，为将来更深入的学习提供便利4研究内容图5 双闭环比值控制系统方框图在MATLAB/SIMULINK环境整定双闭环比值控制系统控制参数，其系统方框图如图5 所示 原始数据：(1) 要求比值控制系统的从动量跟随主动量变化而变化，其中两个流量仪表的信号比值系数:k= Q2 =4;Qi3(4)王对象厂义传递函数为： GJs) = e ;15s 1(5)从对象广义传递函数为:G2(s)= (10s 1)( 20s - 1)-5t e(4)主动量回路和副动量回路均采用 PI控制规律；⑸主动量每隔100s变化，幅值分另U为[3 1 4 2 1].具体设计设计内容如下：1、 采用衰减曲线法整定主动量回路控制器参数；2、 采用反响曲线法整定从动量回路控制器参数；3、 在MATLAB/SIMULINK 环境中建立双闭环比值控制系统，并投入运行，估计系 统阶跃响应曲线的超调量、上升时间和过渡过程时间；4、 检验双闭环比值控制系统的抗干扰能力：主动量和从动量分别改变 10%,检验系统的抗干扰能力。

5、分析双闭环比值控制与申级控制的区别，以及各种的优缺点5论文组织按照整定双闭环比值控制系统的过程进行论文组织，每个整定局部都有详细的整定过 程，响应曲线，测量参数以及结果分析，假设在整定过程中出现问题，均有记录解决方法、 体会、经验5.1衰减曲线法整定主动量回路控制器参数(1) 在Simulink中建立主动量回路闭环系统，在纯比例控制器的作用下给定单位阶跃 响应如图1所示Step图6 主动量回路闭环系统框图St expA.i!i.na-1«ZEStin«:IDvaLuift1FL眼L value:hSajrple tine:¥ E1U.6] d 2 Al'O CTOEEiriE ddlfiiCllGTL0KCutcfl也比却pL『图7输入为单位阶跃响应图8主对象广义传递函数一阶惯性环节设定图9主对象广义传递函数延退时间设定〔2〕 置比例控制器的比例带a为较大的数值，即比例增益 k为较小的数值对设定值 施加一个阶跃扰动，然后观察系统的响应假设响应振荡太快，就减小比例带 a ；反之，那么 增大比例带a如此反复，知道出现衰减比n=4:1的振荡过程记录下此时的比例带〔记 为&〕，以及响应的衰减振荡周期Tso〔3〕 当a =1.189时，出现衰减比n=4:1的振荡过程：如图11所示图10 主动量回路闭环系统框图 K=1.189图11 输出为n=4:1的振荡比例带：1/ ；s =1.189衰减振荡周期 Ts: Ts=36.42-12.42=24s衰减比：n=(1.2491-0.7810)/(0.8979-0.7810)=4.0043代入衰减曲线法整定计算公式(表1),得PI控制器的参数为(衰减率中=0.75为指标)：Kp,1/a =1/(1.2 &s)=1.189 士 1.2=0.9908TI =0.5Ts=0.5 X 24=12s控制规那么控制器参数aTiTdP&sPI1.2 5s0.5 TsPID0.8 5s0.3 Ts0.1 Ts表格1衰减曲线法整定计算公式〔W =0.75〕⑷ 将Kp=0.9908, Ti =12s置入PI控制器中，给定阶跃响应，观察响应。

同时调整参 数，知道响应曲线满意为止图12 整定后的主动量回路闭环系统框图主动量回路性能指标：图13 主动量回路阶跃响应超调里(1.5973-1 ) /1=59.73%衰减率((1.5973-1)-(1.255-1))/(1.5973-1)=79%调整时间〔主％5〕49.194s结论：由衰减曲线法整定的PI参数能够得到较满意的性能指标5.2反响曲线法整定从动量回路控制器参数〔1〕如图14所示，对给定的从对象广义传递函数进行单位阶跃响应测试,测取从对象广义过程的比例增益 K延迟时间『时间常数Ti hb3 Ihu1A o10s+120s+1Step Transfer Fcn2 Transfer Fcn Transport ScopeDelay图14 从对象广义过程〔2〕观察响应曲线，可知系统由自衡能力，且Ko=3；根据两点计算法公式得延迟时间 ％, 时间常数To :* y 〔t〔〕=0.852/3 =0.284,t1 =21.25s;*y 他〕F.896/3 =0.632,t2 =37.72s;*一 一 一 一 _一_ ____y 偶〕F.179/3 =0.393也=25.76s;* _ _ _y (t4) =1.65/3 =0.55,t4 = 33.04s；* … 、 - y (t5) =2.595/3 =0.865,t5 = 59.135s ;T01 =1.5(t2 -t1) =1.5 (37.72 -21.25) =24.705s；T02 =2(t2-t3) =2 (37.72 -25.762) =23.916s；T03 =& -t4)/1.2 =(59.135 -33.04)/1.2 =21.746s时间常数：T0 =(T01 T02 T03)/3 =(24.705 23.916 21.746)/3 =23.456s； 0 0 1 02 0301=0.3(3t2 —t1) =0.3 (3 21.25 —37.72) =7.809s;02=2t3 -t2 =2 25.762 -37.72 =13.804s;03=(2.5t4 —t5)/1.5 =(2.5 33.04 -59.135)/1.5 = 15.64s ;延迟时间:0 =(.01 • .02 .03)/3 =(7.809 13.804 15.64) = 12.418s .综上：K°=3, T°=23.456s, To=12.418s.(3) 由自衡过程的整定计算公式 W =0.75(表2),得控制。