工业被控过程建模与控制器参数的工程整定.docx
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工业被控过程建模与控制器参数的工程整定
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
工作单位:
信息工程系
题目:
《工业被控过程建模与控制器参数的工程整定》
.初始条件:
1.给出单容储液槽液位机理建模的过程。
2.给出工程建模的方法。
3.给出广义被控对象的单位阶跃响应输出数据。
4.给出经典的工程整定方法。
5.给出使用MATLAB软件建模、绘制与拟合曲线、仿真运行和整定调试的方法。
.要求完成的主要任务:
(一).设计任务
本设计要求完成如下两个大的设计任务,分别是:
1.对某一工程对象进行机理建模,应用MATLAB软件对给定的工程数据进行工程测试建模。
具体要求为:
⑴参考相关资料,参照《过程控制系统课程设计指导书》给出的单容储液槽液位数学模型的建立方法,应用机理法对某一工业生产过程建立数学模型。
要求模型传递函数为:
/\K
Ts+1
G(s),写出建模的详细过程,并绘制出示意图。
⑵按照下表给出的广义被控生产过程的单位阶跃输入下的输出数据,要求应用
MATLAB软件绘制出其响应曲线。
t(s)
0
10
20
40
60
80
100
140
y
0
0
0.2
0.8
2
3.6
5.4
8.8
t(s)
180
250
300
400
500
600
y
11.8
14.4
16.6
18.4
19.2
19.6
⑶写出应用切线法建立数学模型的具体步骤。
要求用计算机绘制其切线图形,并在图上做出详细标注。
⑷写出广义对象传递函数。
用计算机在同一图形界面下绘制出阶跃响应曲线和拟合后的曲线。
2.对所建立的被控对象(广义)数学模型,应用MATLAB软件,建立闭环控制系统模
型,并进行工程整定的仿真。
最终给出仿真结果和结论。
具体要求为:
⑴以得到的对象数学模型为广义被控对象,在MATLAB中建立闭环控制系统仿真模型。
至少用一种方法进行工程整定。
要求给出整定过程中的模型及中间得到的图形数据。
写出具体的整定步骤和得到的整定参数。
根据整定参数,进行仿真验证。
给出整定后的闭环控制系统仿真模型和阶跃响应
曲线。
对研究过程所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析,得出结论。
(二).说明书撰写要求
1.纸张格式:
要求统一用A4纸打印,页面设置上空2.5cm,下空2.0cm,左空2.5cm,
右空2.0cm):
2.正文层次:
正文内容层次序号为:
1、1.1、,其中
⑴.正文标题;一级标题1.(黑体小2号加粗),二级标题1.1(黑体小三号),三极标题1.1.1(黑体小四号)。
(2).正文内容格式:
宋体五号,1.25倍行距。
3.正文内容
一般包括:
⑴.选题背景:
说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求;简述本设计的指导思想。
(设计目的中已有阐述)
说明设计原理并进行方案选择,阐明为什么要选择这个设计方案以及
(2).方案论证:
所采用方案的特点。
⑷.结果分析:
对研究过程总所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析,得出结论和推论。
⑸.结论或总结:
对整个研究工作进行归纳和综合。
(6).参考文献:
不少于5个,并应按文献号、作者、文献题名、出版地:
出版社和出版年等顺序书写。
如:
[1]戴军,袁惠新.膜技术在含油废水处理中的应用.膜科学与技术,
2002.
4.图纸(或其它)要求
⑴.图纸要求:
图面整洁,布局合理,线条粗细均匀,圆弧连接光滑,尺寸标注规范,要求使用计算机绘图。
⑵.曲线图表要求:
①.所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画,必须按国
家规定标准或工程要求绘制(采用计算机辅助绘图)。
②.课程设计说明书(报告)中图表、公式一律采用采用阿拉伯数字连续编号。
图序及图名置于图的下方;表序及表名置于表的上方;说明书(报告)中的公式编号,用括号括起来写在右边行末,其间不加虚线。
指导老师签字:
三.时间安排:
时间
设计内容
6月25-26日
查阅资料,用机理法为某一工业被控过程建立数学
模型
6月27日
查阅MATLABS料,绘制出阶跃响应曲线
6月28日
用切线法建立被控过程数学模型
6月29-30日
根据所得数学模型,用MATLAB!
立闭环系统仿真模型
7月1-3日
进行闭环系统的工程整定,得出整定结果
7月4日
完成设计报告
7月5-6日
答辩
年月日
:
业被控过程建模与控制器参数的工程
整定
1选题背景和设计任务
1.1选题背景
过程控制是自动技术的重要应用领域,它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制,在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用。
锅炉汽包液位的控制,如果锅炉内液位过低,会使锅炉过热,可能发生事故。
在这些生产领域里,基本
损失。
可见,在实际生产中,液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以,为了保证安全条件、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
由于工业生产过程复杂多样,因此,在设计工业生产过程控制系统时,首先必须花大量的时间和精
力去了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性,这是设计和实现一个工业生产过程的首要条件。
要实现过程自动控制,还需要对整个工业生产过程的物料流、能源流和生产过程中的有关状态进行准确的测量和计量。
根据测量得到的数据和信息,用生产过程工艺和控制理论知识来管理和控制该生产过程。
MBATLA软件是一款进行高效工程计算、数据分析与可视化编程、系统仿真、科学和工程绘图等功能强大的优秀软件。
能够用于系统建模和仿真,方便用于系统参数整定。
1.2设计任务
工业生产过程的扰动作用使得生产过程操作不稳定,从而影响工厂生产过程的经济效益。
过程控制
的任务就是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效。
作为自动化最根本的目标应是使生产过程安全并平稳的运行。
本课程设计是工业被控过程建模与控制器参数的工程整定,主要是针对单容储液槽的水位平衡进行机理建模。
本设计要求完成如下两个大的设计任务,分别是:
1)对某一工程对象进行机理建模,应用MATLAB^件对给定的工程数据进行工程测试建模。
程整定的仿真。
最终给出仿真结果和结论。
2设计方案
2.1建模的一般方法
便于模型参数的调整。
模针对所要研究的对象,人为地施加一个输入作用,然后用仪表记录表征对象特性的物理量随着时间变
化的规律,得到一系列的试验数据或者是曲线。
通过对曲线的分析获得必要的规律信息。
机理分析的方法提出数学结构模式,然后对其中某些未知的或不确定的参数利用试验的方法予以确定。
2.2控制体统参数的工程整定
方法一:
经验法:
根据经验和先验知识确定一组参数,然后根据各参数的影响,调整参数,直至满
意为止。
由于我们经验和先验知识不足,所以本次设计中不使用此方法。
是在闭环情况下进行的。
设TI=比,TD=0,使控制器工作在纯比例,使系统的输出响应情况下,将
比例带由大逐渐变小(对应的比例系数Kc由小逐渐变大)呈现等幅振荡。
等幅震荡的波形及相关参数的
获取如图2.1所示:
图2.1等幅震荡波形图
临界比例度法整定经验公式如表1所示,最后对参数进行微调,直到动态过程满意为止。
表1临界比例度法整定经验公式
为止,如图2.2所示。
图2.2加阶跃扰动的输出曲线
这时的比例带称为4:
1衰减比例带,用6S表示之。
相邻两波峰间的距离称为衰减周期Ts,记录6S和
Ts。
按表2所示经验公式整定。
最后对参数进行微调,直到动态过程满意为止。
方法四:
响应曲线法:
其控制原理图如图
5(%
T(s)
Td(S)
P
PI
1.26s
0.5Ts
PID
0.8&
0.3Ts
0.1Ts
表2衰减曲线法相关参数的整定
2.3所示。
图2.3响应曲线法控制原理图
令控制器的输出为幅度为X0,的阶跃信号,则对象经测量变送器后的输出y(t),由该图可确定T、
T和Kc。
相关参数的确定如图2.4所示。
图2.4输出波形及相关参数的确定
通过下式将比例系数转化为比例度:
利用表3所示的经验公式,就可计算出对应于衰减率为4:
1时控制器的相关参数。
表3响应曲线法相关参数整定的经验公式
建模采用机理建模。
界比例度法简单快捷,所以可以采用临界比例度法进行整定。
3单容储液槽液位控制系统建模
3.1被控对象的解析
对象一上储液槽的结构和特性。
溢出的情况下,当储液槽的进水量恒定不变时,水位的上升速度将逐渐变慢,最终达到平衡。
由此可见,
单容储液槽系统是一个自衡系统。
图3.1单容储液槽结构图
3.2单容储液槽的建模
2.3最佳方案
有必要建立被控对象的数学模型。
正如前面提到的,单容储液槽是一个自衡系统。
根据它的这一特性,
我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
如图3-1,设储液槽的进水量为Q1,出水量为Q2,储液槽的液面高度为h,出水阀V2固定于某一
开度值。
若Q1作为被控对象的输入变量,h为其输出变量,则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间
的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
将式(2-1)表示为增量形式
dt
(2-2)
式中,也Q、也Q2、也h――分别为偏离某一平衡状态Q10、Q20、h0的增量;C――储液槽底面积。
在静态时,Qi=Q2;dh/dt=0;当Q发生变化时,液位h随之变化,阀V2处的静压也随之变化,
化起见,经线性化处理,则可近似认为AQ1与也h成正比,而与阀V的阻力R2成反比,即
R2
式中,R2为阀V2的阻力,称为液阻。
将式(2-3)代入式(2-2)可得
在零初始条件下,对上式求拉氏变换,得:
h(t)=KR0(1—e=)
(2-7)
当tT比时,h(=c)=KR0因而有
当t=T时,则有
3.3实验法建模
实验法建模是工具工业过程中输入、输出的实测数据进行的某种数学处理后得到数学模型的建模方
化,
测得被控过程的阶跃响应曲线,求出被控过程输入与输出之间的动态数学关系一一传递函数。
要确定被控对象的传递函数,可以分两步来做:
[1]确定传递函数的形式
拉起选择。
在满足精度的情况下,尽量选择低阶形式。
本次设计中使用一阶模型即可。
[2]确定模型参数
根据阶跃响应曲线,求出模型参数。
对于一阶模型,此次用切线法来确定。
实际生产过程的阶跃响应曲线呈现如图3.2所示的S型曲线是最常见的。
用切线法确定一阶惯性加纯滞后的特征参数方法如下。
图3.2切线法确定一阶惯性加纯滞后的特征参数
在此曲线的拐点D处做一切线,它与时间轴交于B点,与响应稳态值渐近线交于A点。
图2中的0B即为对象的滞后时间T,BC为对象的时间常数To
4控制系统的工业整定
4.1广义对象的阶跃响应曲线
控制系统的参数整定可以用MATLAB真之后,进行数据分析实现。
MATLAB^件绘制出其
按照表4给出的广义被控生产过程的单位阶跃输入下的输出数据,要求应用
响应曲线。
表4单位阶跃输入下的输出数据
t(s)
0
10
20
40
60
80
100
140
y
0
0
0.2
0.8
2
3.6
5.4
8.8
t(s)
180
250
300
400
500
600
y
11.8
14.4
16.6
18.4
19.2
19.6
由MATLAB^出的图像如图4.1所示
图4.1单位阶跃输入下的输出响应曲线
Xo
4.2数学模型的参数确定
由图中所标参数值可以近似得到T=37s,T=270s-37s=233s,又有前所得广义对象的传递函数如下:
将Kc=19.6、T、T的数值代入式中可以得到广义对象的数学传递函数为:
4.3拟合后的数学模型与曲线
4.3.1拟合模型
根据上面计算出的广义对象的数学传递函数,
图4.3
由拟合系统仿真图得到拟合曲线图,如图
使用matlab画出模型如图4.3所示:
拟合系统仿真图
4.4所示:
图4.4拟合曲线图
4.4控制器参数的工程整定
运行MATLAB设计系统结构,通过MATLAB勺simulink模块画出仿真结构图,然后设定仿真时间为
4.5
600s,积分微分环节设置为零,输入传函和延迟模块的参数,之后进行调试仿真,仿真结构图如图所示。
本次设计采用临界比例度(带)法。
比例度(带)
6(%)与比例系数Kc成反比关系,这种整定方
法是在闭环情况下进行的。
设TI,TD=0,使控制器工作在纯比例情况下,将比例带由大逐渐变
小(对应的比例系数
Kc由小逐渐变大),使系统的输出响应呈现等幅振荡,波形如图4.6所示。
图4.6临界比例度法输出响应等幅振荡曲线图
由图4.5可得
Kc=0.55,由图4.6可得Ts=373s-229s=144s。
则按经验公式可得,当采用纯
比例时,比例系数
K=丄可得出
2§s
K=055=0.275,将比例器的放大系数改为0.275,在进行仿真
2
得到波形如图4.7所示。
图4.7比例控制输出波形
0551441
当采用PI调节时,由经验公式得K==0.25,丁==120,则Ki==0.0083,
2.21.2120
将调节器的参数设定为此值,所得波形如图4.8所示。
图4.8比例积分控制输出波形
055
当采用PID控制器时,由经验公式可得出K=055=0.3438,Tj=0.5X144=72,
1.6
1
Ki=一=0.0139,Td=0.125XTs=0.125X144=18,K^T^18,将控制器的参数设定为此值72
得到PID调节的波形如图4.9所示。
图4.9比例积分微分控制输出波形
4.5控制器的选择
通过参数整定得出的仿真图形可以看出:
比例控制调节速度较快,过渡时间短,系统较达到稳定。
比例积分控制调节速度比比例控制稍慢一点,
超调较大,系统达到稳定的时间较长。
比例积分微分控制
调节速度最快,但系统稳定时间也较长。
所以对于单容储液槽的液位控制系统可以采用比例控制。
比例控制克服干扰能力强、控制及时、过
渡时间短。
比例控制结构简单,系统稳定性好,能够满足单容水箱的液位控制系统的控制要求。
5总结
通过本课程设计加深了对过程控制和自动控制思想的理解,
对典型的PID调节有更深刻的认识,同
时掌握了工业被控过程的建模和控制系统的工程整定的一般方法,
提升了对过程控制的兴趣,为今后的
进一步学习打下了良好的基础。
本课程设计主要是两大部分,一个是过程的建模,另一个是参数的整定。
对于每一个板块都有很多
的方法实现,在实际的操作中要根据设计的目的、被控的对象,选择合适的方法。
在这个过程当中,对
于方案的论证就是一个很重要的环节,它决定了整个课程设计的质量和效率。
如果犯了方向性的错误,
最后的结果是事倍功半。
在这次的课程设计中对于MATLAB的应用也很关键,MATLAB是一个很好的建模仿真软件,整个设计
的过程MATLAB是—个核心的工具。
通过MATLAB能够很方便的进行数据的调试,然后通过相关的经验公
式完成数据的整定。
6参考文献
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化学工业出版社,2002年.
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林德杰编.过程控制仪表及控制系统.北京:
机械工业出版社2009年.
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化学工业出版社,2005年.
施仁刘文江等编.自动化仪表及过程控制.第三版,北京:
电子工业出版社,2003.
陈夕松汪木兰主编.过程控制系统.北京:
科学出版社,2005.
课程设计评分表
评分项目
评分成绩
1.选题合理、目的明确(10分)
2.设计方案论证严谨、正确(30分)
3.设计过程阐述清晰(25分)
4.设计报告整理规范(10分)
5.答辩(25分)
总分(100分)
答辩记录:
指导教师综合评语:
指导教师(签名)_
日期:
年