过程控制课程设计.docx
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过程控制课程设计
《过程控制》大作业
题目:
大型煤气炉温度控制系统
班级：
0602201
学号：
********6
******
******
完成时间：
2010年3月16日
一设计任务及要求
一大型煤气炉在稳定后，将系统切到手动转台，将的供气阀门开度增加
、持续
后结束，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量
的无差温度控制系统。
t（min）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
℃
0
2.55
7.50
15
21
18..40
14.50
12
9.60
7.40
5.80
t（min）
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
（℃）
4.50
3.70
3.00
2.30
1.70
1.20
0.80
0.50
0.40
0.20
0.10
具体设计要求如下：
（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；
（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；
（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；
（4）对设计系统进行仿真，整定运行参数。
二被控对数学模型建模及对象特性分析
2.1数学模象的型计算及仿真验证
根据矩形脉冲响应数据y，得到阶跃响应数据ys，并进行相应的归一化处理，则得单位阶跃响应数据y*，如下表：
t（min）
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
℃
0
2.55
7.50
15
21
18..40
14.50
12
9.60
7.40
5.80
y*℃
0
2.55
10.55
25.05
46.05
64.45
78.95
90.95
100.55
107.95
113.75
t（min）
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
（℃）
4.50
3.70
3.00
2.30
1.70
1.20
0.80
0.50
0.40
0.20
0.10
y*℃
118.25
121.95
124.95
127.25
128.95
130.15
130.95
131.45
131.85
132.05
132.15
表1
稳态值y*（∞）=132.15+0.10=132.25。
使用Matlab编辑.m文件，通过给定的矩形脉冲响应求对象的阶跃响应，并用插值方法画出曲线。
图1
将阶跃函数曲线归一化，得到单位阶跃响应如下图，从图中取y*（t1）=0.4，y*（t2）=0.8，则t1=258s;t2=522s。
图2
对象增益为K，K=θ（稳态值）/Δu=5.29。
从归一化曲线中取θ*（t1）=0.4,θ*（t2）=0.8，则t1=8.69s，t2=17.41s，t1/t2=0.46<0.4991<0.534。
因此使用三阶系统，根据公式3*T=（t1+t2）/2.16*60，解得T=241，由于纯延时为0，因此对象的传递函数为：
Gp（s）=Y（s）/U（s）=5.29/{（241s+1）^3}。
其程序代码如下：
x=0:
2:
42;
y1=[02.557.5152118.414.5129.67.45.84.53.73.02.31.71.20.80.50.40.20.1];
y2=[02.5510.0525.0546.0564.4578.9590.95100.55107.95113.75118.25121.95124.95127.25128.95130.15130.95131.45131.85132.05132.15];
y3=132.25;
ys=y2./y3;
x0=0:
0.005:
42;
y4=spline（x,y1,x0）;%y,脉冲响应，插值函数
y5=spline（x,y2,x0）;%y1,阶跃响应
y6=spline（x,ys,x0）;%ys,单位阶跃响应
plot（x,y1,'r*'）
holdon
plot（x0,y3,'m'）;
holdon
gtext（'红色--脉冲响应'）;
holdon;
plot（x,y2,'m*'）
holdon
plot（x0,y5）;
gtext（'绿色--阶跃响应'）;
grid;
figure;
plot（x0,y6,'r'）
gtext（'单位阶跃响应'）;
grid;
2.2对象特性分析
分析所得的对象传递函数的特性，观察其稳定性。
程序如下：
num=[5.29];
den=conv（[2411],conv（[2411],[2411]））;
G=tf（num,den）;
W=feedback（G,1）;
step（W）;
gtext（'单位阶跃响应'）;
grid;
所得响应曲线如下图：
图3
由上图可知，随着时间的推移，该对象的单位阶跃响应呈现稳定状态，但系统超调太大，震荡太厉害，且为温度控制系统，应使用PID进行控制。
三控制系统设计
3.1基本控制方案
采用基本PID调节。
PID控制是比例积分微分，控制的简称。
是一种负反馈控制。
即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。
其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。
P：
基本作用是使输入输出无相差，Kc增加。
作用增强，余差下降，超调减少，稳定性变差。
I：
引入之后消除余差，但幅值增加，相位滞后，稳定裕度下降，同时应防积分饱和。
D：
引入后幅值增加，相位超前，使稳定裕度提高。
由于温度控制属于慢控制，所以进入D环节来加快调节速度。
系统流程图如下图：
系统流程图如下图
图4
系统原理图如下图：
图5
3.2控制仪表选择
选择目前通用的DDZ-Ⅲ型表。
由于煤气炉温度很高，所以采用热电偶，Km>0,调节阀为气开阀，保证煤气炉的安全性。
有Kv>0，对象Kp>0，因此调节器Kc>0。
温度变送器量程为0—1500℃，调节阀范围0—100T/min，则
Gv=（100-0）/（20-4）=6.25T/min/mA,Gm=（20-4）/（1500-0）=0.0107mA/℃.
所以Go=Gv*Gp*Gm,则广义对象的传函为：
G0=0.3538/{（241s+1）^3}。
3.3参数整定
设调节器传递函数为Gc（s）=Kp*（1+1/（Ti*s）+Td*s），采用Z-N法对PID参数进行整定。
首先求控制对象的单位阶跃响应。
其程序如下：
num=[0.3538];
den=conv（[2411],conv（[2411],[2411]））;
G=tf（num,den）;
step（G）;
k=dcgain（G）
k=
0.3538
图6
由上图可知，tao=216s，T=1080-200=864s，用z-n法确定PID参数kp、Ti、Td。
其程序代码如下：
k=0.3538;tao=216;t=864;
kp=1.17*t/（k*tao）;Ti=2*tao;Td=0.5*tao;
kp,Ti,Td,
s=tf（'s'）;
Gc=kp*（1+1/（Ti*s）+Td*s）;
num=0.3538;
den=conv（[241,1],conv（[241,1],[241,1]））;
G0=tf（num,den）;
G=feedback（Gc*G0,1）;
step（G）
得到kp=13.2278
Ti=432
Td=108
图7
通过上图可以明显看到超调还是大于要求的25%，但震荡频率明显减小。
为了达到设计要求，对整定后的参数进行修改。
减小kp且增大Td，得到的仿真结果如下：
kp=7;Ti=480;Td=200;
s=tf（'s'）;
Gc=kp*（1+1/（Ti*s）+Td*s）;
num=0.3538;
den=conv（[241,1],conv（[241,1],[241,1]））;
G0=tf（num,den）;
G=feedback（Gc*G0,1）;
step（G）
图8
最终整定后参数为kp=7；Ti=480；Td=200。
由上图可知：
超调量最大为20%，误差带为5%时的Ts=1400s。
系统超调量符合要求20%<25%；且为无差系统；调节时间比较合适。
采用此方法满足题目要求。
3.4系统仿真
在Simulation中对系统进行仿真，其仿真原理图如下图：
图9
得到的仿真曲线如下图所示：
图10
由上图可以看出来，最终整定的结果是符合设计要求的，超调量最大为20%，误差带为5%时的Ts=1700s。
系统超调量符合要求20%<25%；且为无差系统；调节时间比较合适。
因此采用此方法满足题目要求。
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