过程控制课程设计最新版本

过程控制系统课程设计设计题目：流量比值控制和变频器控制设计班 级：自动化0805 学 号： 20082479 姓 名： 指导教师： 杨英华 鲍艳 设计时间： 2011年5月30号 到 2011年6月19日目录摘要21.课程设计任务及要求31.1设计任务31.2设计要求32.1流量比值控制系统在工程实际中的背景应用42.2流量比值控制系统方案比较和选择52.2.1比值控制系统方案比较52.2.2比值控制系统方案分析和选择63.实验硬件部分73.1CS4000型过程控制实验装置简介73.2硬件配置选型73.3西门子SIMATIC PCS7-300103.4变频器工作原理104.双容水箱机理模型建立及实验参数的确定方法134.1串联双容水箱机理模型的建立134.2串联双容水箱参数的确定145.PID控制器设计165.1PID控制器原理165.2PID控制器参数整定185.2.1临界比例度法185.2.2衰减曲线法185.2.3试凑法186.MATLAB仿真226.1 MATLAB软件简介226.2仿真实现226.2.1被控对象的传递函数226.2.2PID参数确定227.实验法测量双闭环流量比值控制系统257.1双闭环流量比值控制系统工艺流程图257.2实验过程267.2.1双容水箱参数整定实验267.2.2副回路PID参数整定实验277.2.3双闭环PID的参数整定实验288.心得体会29参考文献31摘要在工业生产过程中，要求两种或多种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费原料，甚至产生生产事故，所以严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要的。本文分析了双闭环流量比值控制系统的组成特征、原理、适用范围，相比于开环比值系统和单闭环比值系统，双闭环比值系统组成更为复杂、动态特性和静态特性更好，探讨双闭环流量比值控制系统的可行性。阐述了变频器的工作原理和在双闭环流量比值控制系统中的作用.基于浙大中控CS4000过程控制实验装置的水箱系统，根据设双闭环流量比值控制系统原理，设计了双容自衡水箱的双闭环流量比值控制系统，画出控制系统原理图和方框图，选择恰当的硬件配置。对双容自衡水箱进行了模型机理分析并在实验室内通过双容自衡水箱的实验得到具体实际被控对象的传递函数，主副闭环控制回路的控制器均采用PID控制器。并根据设计出的流量比值控制系统，在Matlab/Simulink环境下进行了PID控制的建模仿真。在实验室内，根据双闭环比值控制系统方框图和实验室现有资源，列出系统用到的设备型号及参数，并进行实际的双闭环流量比值控制系统的两个控制器的参数整定。实验主要步骤如下： 1）首先对副回路（红色回路）在组态王界面下进行PID参数整定。根据设计的双闭环流量控制系统方框图，除去主回路部分，只连接副回路部分的PLC控制线路并整定双容水箱单闭环（副回路）系统的开关关合，得到了副回路的最佳PID参数。2）再根据Matlab/Simulink仿真结果和上述实验得到的副回路参数，进行在组态王的双闭环流量比值控制系统的主回路PID控制参数，通过试凑法，实现了实验室内的组态王界面对双闭环流量比值的监控，并得到较好的跟随特性和系统稳定性。传统的流量比值系统人为因素成为决定配料精度的关键。由于工作环境及工作人员素质的关系，经常出现产品不合格，质量不稳定性差的情况，造成了大量人力、物力的浪费。而且人工配料生产率低、达不到规模化生产。本文设计的流量比值控制系统，以变频器和电动调节阀为执行元件，加上P I D控制方法，使自动化流量比值系统达到了所要求的控制精度。关键词：双闭环 ,流量比值，变频器，PID，Matlab/Simulink1. 课程设计任务及要求1.1设计任务本次课程设计是为过程控制仪表课程而开设的综合实践教学环节，是对现代检测技术、自动控制理论、过程控制仪表、计算机控制技术等前期课堂学习内容的综合应用。本设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。 本次设计的主要任务是通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的液位参数设计其控制系统。设计中要求学生掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号；掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；掌握PID调节器的功能原理，完成液位控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。通过对过程控制系统的组态和调试，使学生对过程控制仪表课程的内容有一个全面的感性认识，掌握常用过程控制系统的基本应用，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。1.2设计要求1. 流量比值控制和变频器控制设计。2. 系统设计调试，以自动控制系统实验室模型为设计对象。3. 控制系统的分析，以自动控制系统实验室模型为设计对象。4. 系统原理及参数选择5. 流量比值控制系统一般用于总物料变化幅度不大的场合，适合使用结构简单，造价较低的单闭环比值控制系统。所以本系统采用单闭环控制。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值系统存在的不足，在开环比值控制系统的基础上，增加一个副流量的闭环控制系统。即实现副流量跟随主流量变化而变化，又可克服副流量本身干扰对比值的影响。系统主回路的给定值为人工设定。电磁流量计测得主回路流量后，通过比值器作为给定值送往副回路。这样副回路即可跟随主回路变化，实现比值控制。两叫路均采用PID控制，为保证系统的快速性与稳定性，应选择几组不同的参数来应对不同的情况。在启动以及受到较大的单位扰动时，应以快速性为主，使系统尽快达到平衡；在系统稳定运行以及受到阶跃扰动时，应以稳定性为主，以减小扰动对系统的影响。6. 流量比值控制系统的方案选定2.1流量比值控制系统在工程实际中的背景应用在双闭环比值控制系统中，主动物料、从动物料，在参数整定时，要保持主动物料、从动物料的总量恒定，物料流量要保持恒定的比值且主流量要实现定值控制，其结果作为副流量的设定值也是恒定值。与采用两个单回路流量控制系统相比，其优越性在于当主动量一旦供应不足时，仍能保持原定比值。当主动量因扰动而发生变化时，在调节过程中，仍能保持原定的比值。缺点是所用仪表多，投资较高。在主动量也需要控制时，增加一个主动量闭环控制系统，单闭环比值控制系统成为双闭环比值控制系统，如图1所示。 增加了主动量闭环控制后，主动量得以稳定，从而使总流量能保持稳定。 双闭环比值控制系统主要用于总流量需要经常调整（即工艺负荷的升降）的场合，如无此要求，可采用两个单独的闭环控制系统来保持比值关系。图表 1控制系统方框图MFC1FT1VL1Q1 MSSRFT2FC2KQ2图表 2双闭环比值控制工艺流程图 流量比值与设置于仪表的比值系数是两个不同的概念，它们都为无量纲系数，但两者的数值是不等的。 流量比值k是流量的比值，它们可以同为质量流量、体积流量或折算为标准情况下的流量。 比值系数K是设置于比值函数模块或比值控制器中的参数。 采用线性流量检测单元的情况 在正常工况下，主动量与从动量的输出值（无量纲）分别为F1/F1MAX，F2/F2MAX。所以单元组合仪表的比值系数为： 该比值系数只与变送器的量程和所要求从动量与主动量的对应比例关系有关，与变送器的电气零点无关。采用差压法未经开方流量检测单元的情况此时，主动量与从动量的输出值（无量纲）分别为（F1/F1MAX）2， （F1/F1MAX）2 。所以比值系数为： 该比值系数只与变送器的量程和所要求从动量与主动量的对应比例关系有关，与变送器的电气零点无关。几点说明（1）采用线性流量检测方法时，只有在 F1MAX=F2MAX的场合，k=K；在采用差压法未经开方流量检测时，在 时，k=K（2）采用相乘或相除的方案中，比值函数部件可以改接在F2一侧，即实现 。此时，K1/K。（3）在同样的比值k下，通过调整F1MAX，F2MAX也可以改变比值系数。2.2.2双闭环比值控制系统方案分析和选择 双闭环流量比值控制系统，主流量也用一个PID控制器进行控制，增加一个主流量闭环控制系统，主流量在动态过程中和扰动作用下，能够自动调节得以稳定，从而通过固定的比值使从流量也得以稳定。通过两个方案的论证，单闭环流量比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料的比值要求不高的生产过程。而双闭环流量比值控制系统适用于祝福流量扰动频繁，负荷变化较大，同时保证主、副物料总量恒定的生产过程。故本文对双容水箱的流量比值控制系统采用方案二的双闭环控制系统来设计生产控制过程。3.实验硬件部分 本实验基于浙大中控CS4000过程控制装置的水箱系统和西门子的嵌入式PID参数调节模块对双容水箱模型进行实验。3.1CS4000型过程控制实验装置简介 随着生产的自动化程度和规模的日益随着生产的自动化程度和规模的日益提高，分布式集散控制系统(DistributedControl System，DCS)得到了广泛应用，它可实现数字和模拟输入输出模块、智能信号装置和调节装置与PC之间的数据传输，并可把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线费用降到最低，从而大大节省成本费用；其开放的通信接口，还允许用户选择不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备，易于推广。CS4000型过程控制实验装置正是采用这种开放式的DCS系统，根据我国工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的C3000智能仪表、S7-200PLC、DDC控制系统、EPA工业以太网控制系统，经过精心设计、多次实验和反复论证后，推出的一套基于研究生教学和学科基地建设的实验设备。CS4000型过程实验装置的检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1-5V，电流4-10mA，实验系统供电要求：单相220V交流电，被调参数囊括流量、压力、液位、温度四大热工参数，真实地模拟了自动化的工业现场控制。3.2硬件配置选型整个实验装置主要包括DCS工业标准机柜、计算机控制系统(上位机系统)、水箱系统。其中，DCS工业标准机柜提供系统供电电源(5v、24v)、各模拟输入输出量及继电器等所对应的接口，用以上位机系统和水箱系统的通信；上位机通过采集各类传感器信号，实时监控现场参数变化，及时发出控制指令；水箱系统包括两个独立的水路动力系统：一路由磁力驱动循环泵、电动调节阀、电磁流量计(主管路)、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由磁力驱动循环泵、变频调速器、涡轮流量计(副管路)、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成，其系统结构如图所示，通过不同切换阀的开合可以完成多种方式下的流量控制实验。图 3.1：CS4000型过程实验装置 如图示3.1，实验对象共包括有六个水箱和一个储水箱，其中水箱1(中下)、水箱2(右下)、水箱3(中上)、水箱4(右上)为普通水箱，箱外均配有标尺，方便近前查看：水箱5(左上)为加热水箱，内置有1.5KW电加热管；水箱6(左下)为纯滞后水箱中间固定有一根有机玻璃圆柱，9块隔板呈环形排布在圆柱周围，水可依次流过分隔出的9个扇形区。整个系统通过不锈钢管道连接起来，通道阀门开启时，储水箱的水可以被分别送至六个水箱。六个水箱底部均有两个出水管道，其中装有手动阀的管道作为控制系统的一部分，可通过手动调节阀门开度以模拟漏水干扰；水箱液位达到警戒水位时，经另一直通管道流至储水箱，防止溢出。储水箱底部安装有出水阀。当储水箱需要换水时，手动打开出水阀即将水直接排出。 本实验系统供电要求单相220V交流电，实验装置的检涮信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压l-5v，电流4-20rnA。主要的检测变送和执行元件有：扩散硅压力液位传感器、电磁流量计、涡轮流量计、变频器等，下面列出各元件的主要技术参数：(1) 扩散硅压力液位传感器：检测水箱压力。液位输入信号：24 VDC; 输出信号：420mA；测量精度：0.25。(2) 电磁流量计：检测主流量。型号：SFIOTD-C; 输入信号：220V；输出信号：420mA；测量范围:01.2；测量精度：0.5。(3)涡轮流量计：检测干扰流量。型号：LWGYl0AP; 输入信号：24 VDC；输出信号：频率；测量范围:01.2；测量精度：1。(4)电动调节阀(智能电动单座调节阀)：用来调节管道出水量。型号：QSTP-16K；输入信号：010mA420mADC0-5VDC15VDC；输入阻抗：250500；输出信号：420mADC；输出最大负载：500;信号断电时的阀位：可任意设置为保持全开全关0100间的任意值；电源：220V1050HZ。具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点。(5)变频器：调节小流量泵。型号：三菱FR-S520S-0.4K；输入是220V,输出三个端任两个端子之间的输出电压都是220V,输出三个端子电压进电机，电机是220V/380V。图 3.2：变频器图示 3.3西门子SIMATIC PCS7-300 S7-300系列的模块化自动化系统作为标准、容错和安全相关的系统，十余过程自动化和小型独立设备的自动化。3.4变频器工作原理 由于本实验需要两个调节阀，除了电动调节阀以外，还在副回路中选用了三菱FR-S520S-0.4K的变频器调节阀。现在对变频器的工作原理进行分析：图 3.3：交-直-交变频器基本主电路组成变频器的作用是通过改变电源的频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。变频器分为，交直交、交交变频两大类。本试验采用的变频器为交直交变频，主电路部分主要由整流器器、中间滤波环节、逆变器三部分组成。 整流器的作用是将定压定频的交流电变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器为逆变器提供直流电源。在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块。间直流环节 中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率的交换。逆变器将直流电源变为可调频率的交流电。它的作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。在SPWM变频器中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电逆变成三相交流电。图 3.4：交-直-交变频器控制电路组成控制电路部分常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路组成。主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等，其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。目前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，靠软件来完成各种功能。4. 双容水箱机理模型建立及实验参数的确定方法4.1串联双容水箱机理模型的建立图 4.1：双容水箱结构 从图3 可以看出，电磁阀的实际流量特性呈现很大的饱和区。实际控制时，当电磁阀工作在0,50%范围内时，输入量与输出流量基本呈线性关系。双容水箱机理建模根据流量平衡原理，模型描述如下：选取不同的稳态值h1 ,h2，根据参数估计可得管道的流量系数，可得：1 = 0.3565, 2 = 0.3050。(6)式中各参数的物理意义和数值见表1，其中：A, S 可直接测量；g 是常数。 4.2串联双容水箱参数的确定根据双容水箱自衡过程的实验测得的实验数据曲线4.2，图 4.2：双容水箱自衡过程曲线图 对曲线4.2，被控对象的传递函数分析可根据图4.3图 4.3：双容水箱阶跃响应曲线在单位阶跃响应曲线上取：的稳态值的渐近线为；时得曲线上的点A，阶跃响应时间对应；时得曲线上的点为点B，阶跃响应时间对应；切线为点P，过点P做的切线与横轴交点对应的时间为滞后时间常数；利用下面的近似公式计算参数和：=输入稳态值/阶跃输入值= （9） （10） （11）由于，故被控对象可近似化为为两个一阶惯性环节乘积的形式。滞后时间常数，由于本实验水箱容积较小，实验的影响并不大，取。按照公式计算出二阶双容水箱系统的传递函数为： （13） （14）5. PID控制器设计PID控制是建立在经典控制理论基础上的一种控制策略，其中，P、I、D分别代表比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Differential)的一种运算关系。由于其算法简单明了，参数物理意义明确，理论分析体系完整，易于学习推广，至今仍在工业控制中占主导地位。5.1PID控制器原理 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。模拟控制系统中最常用PID控制规律，其原理框图如图5.1所示图 5.1：模拟PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值R(t)与实际输出值Y(t)构成控制偏差 （15）将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律可表示为 （16）或写成传递函数形式 （17）式中，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，比例、积分、微分三个环节的作用可概括如下：1) 比例环节：代表当前信息，使过程快速反应。比例部分的数学表达式，成比例地反映了控制系统的偏差信号，偏差一旦产生就可及时作用。增大可加快系统的响应速度，提高调节精度，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定；减小，则会降低调节精度，使响应缓慢，延长调时间，使系统的动静态特性变坏。2) 积分环节：代表过去累积的信息，可保证被控量在稳态时对设定值的无静差踪。由其数学表达式看出，只要存在偏差，控制作用就会不断累积，因此能消除稳态误差，提高系统的抗干扰能力。当较大时，则积分作用较弱，系统不易产生振荡，但消除偏差所需的时间较长，影响系统的调节精度；当较小时，则积作用较强，能加快消除系统的稳态误差，但易在响应初期产生积分饱和现象，从而起响应过程的较大超调，甚至会产生振荡。3) 微分环节：代表了将来的信息，能改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。由其表达式可见微分环节反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，可对偏差变化进行提前预报。微分作用的强弱由微分时间常数决定，越大，则它抑制变化的作用越强，有利于加快系统响应，使超调量减小，增加稳定性，但过分提前制动，使调节时间延长，且会降低抗干扰性能；越小，则它反抗变化的作用越弱，超调量增加，系统响应速度变慢，稳定性变差。随着微型计算机的出现，特别是现代嵌入式微处理器的大量应用，计算机软件(包括PLC的指令)可替代模拟PID控制器硬件实现的功能，形成了数字PID算法，具有更强的灵活性。通常将数字PID控制算法分为位置式PID控制算法和增量式控制。5.2PID控制器参数整定参数整定是PID控制器设计和应用中的核心问题，它直接影响着系统的控制品质。以下简单介绍几种常用的参数整定法：5.2.1临界比例度法该方法是由Ziegler和Nichols提出的闭环整定方法，在系统闭环情况下，用纯比例控制的方法获得临界振荡数据：临界比例度和临界振荡周期，然后按公式整定控制器参数。对不允许做临界振荡实验的系统，该法不能得到运用。5.2.2衰减曲线法衰减曲线法是在临界比例度法基础上提出来的，它先在纯比例作用下找出满足衰减比的比例度，对定值系统，取衰减比为4:1，测出衰减振荡周期；对随动系统，取衰减比为10:1，同时测出上升时间，然后可确定PID控制器参数。5.2.3试凑法在实际实验室里采用的是试凑法来确定PID的三个参数。试凑法是根据控制器各个参数对系统性能影响程度，根据上述比例、微分、积分对控制作用的影响分析，边观察系统的运行，边修改参数，直到满意为止。实验室中单独对涡流流量计的回路系统（红色回路）做PID控制实验，通过不断的调试，达到较快的动态特性和较小的超调量得参数为： （18）其中， （19） 会得到较好的微分时间常数。再按照搭建好的硬件线路，进行双闭环流量比值控制系统的PID实验，其中副回路（红色回路）的PID参数按公式（16）进行选择，再进行主回路（蓝色回路）的PID参数调试，得到较好的调节图像。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为：u(t)=kp(e(t)+1TI J e(t)dt+TD*de(t)dt)因此它的传递函数为：G(s)=u(s)E(s)=kp(1+1(TIs)+TDs)其中kP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数由此我们选择了两组参数：1kp=2TI=1000TD=1000此时系统快速性好，扰动后能迅速恢复。2kp=O5TI=5000TD=1000此时系统稳定性好，不易受扰动影响。下面是我们采用不同参数时系统的图像(为了使图像间容易比较，初始状态时电动调节阀与变频器均置零)：在启动或受到较大单位扰动时采用Kp：2TI：1000 TD：1000以保证系统的快速性。采用Kp：2TI：1000TD：1000时的图像，以保证系统的快速性。在系统稳定或受到阶跃扰动时可以采用kp：05TI：5000：TD：1000以保证系统的稳定性。 图释：圈中由左向右依次：1K p-2TI=0TD=0，2Kp：2TI-1000TD-0，3Kp-2TI：1000TD=1000由图可以看出，只有比例环节的系统超调大，调节时间长。稳定后会有一定的误差(在本图中体现不明显)。加入了积分环节后系统性能有了很大的提高，消除了稳定误差，减小了超调量，缩短了调节时间。加入微分环节后，系统调节速度更快，但一定程度上增加了超调量。由于本系统控制的是慢过程，所以微分环节对系统的影响很小。图释：图中由左向右依次：1Kp=2TI-1000TD=1000，2Kp：05TI-1000TD=1000，Kp-2TI=200TD-1000，4Kp：2TI-1000rD=5000由图看出第二组参数与第一组(最佳调节参数)是因为比例环节是对系统影响最大的环节，比例时间常数减小后给定值与输出值之间的偏差对系统的影响变小，系统调节变慢，超调量变小。积分时间常数起的是积分作用，对给定值与输出值之间的偏差进行积分，与比例环节的作用类似。积分时间常数越小它的作用越大，使得系统与最佳参数相比超调量变大，是调节周期变多，调节时间变长。对于慢系统来说，微分环节的影响很小，所以我们改变微分时间常数时，对系统的影响不大。图5-3不同PID参数对不同扰动的响应曲线图释：图中由左向右依次：1按最佳P I D参数启动(p-2，TI-1 000，TD-l ooo)，2小阶跃扰动(最佳参数)，3大阶跃扰动(最佳参数)，4小阶跃扰动(P-05，TI-5000，TD-1000)，5大阶跃扰动(P=05，TI-5000，TD-1000)由图看出按最佳参数设定系统时，系统恢复性好，调节速度快，出现阶跃扰动时，系统受到影响大，恢复时间快。而按照P=O5，TI=5000，TD=1000设定系统时，系统稳定性好，不易受到影响，但恢复慢。图54不1同PID参数对单位扰动的响应图释：图中由左向右依次：1P：2TI=1000TD-1000，2P-05TI-2000100面对单位扰动时最佳参数设定的系统恢复快，很容易恢复稳定，但稳定性强的系统恢复性较差，受到单位扰动时恢复很慢。综上，我们的系统在启动时选择最佳参数使系统较快的达到稳定，稳定后选择稳定性好的参数(P=05，T1=2000，TD=1000)而后根据不同的扰动选择参数面对单位扰动时仍使用稳定性好的参数，受到较大的单位扰动时，选择最佳系统参数使系统尽快恢复稳定。6. MATLAB仿真本文所有被控过程的仿真模型及仿真程序均基于美国Mathworks公司出品的MATLAB软件进行，下面先对该软件作简单介绍。6.1 MATLAB软件简介MATLAB(Matrix Laboratory)，是以矩阵为基本数据单位的一种程序设计语言，具有强大的数值计算能力，还提供了大量的功能函数、绘图、可视化建模仿真和实时控制等功能，要用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、建模设计与分析等。其中的SIMULINK模块可用来建模、分析和仿真各种动态系统，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境的图形化接口中可采用拖放鼠标的方法迅速地建立动态系统模型，具有更直观、方便、灵活的优点。6.2仿真实现6.2.1被控对象的传递函数 如图4，双闭环流量比值控制系统的两个闭合回路的水流分别通过主、副回路电磁动力泵从蓄水池抽入到水箱T1中，经连接阀V2流到水箱T2中，在经泄漏阀流向蓄水池。故两个回路的被控对象均为双容水箱系统。 由上述对双容水箱的分析和实验数据得，二阶双容水箱系统的传递函数为： 也即是两个回路被控对象的传递函数。6.2.2PID参数确定本实验为双闭环流量比值控制系统，有两个完整的控制回路。有两个PID控制器，分别控制主副回路的流量稳定值，其中副回路（红色回路）已经由流量比值控制系统单闭环实验，通过试凑法测得了一组非常好的数据，见公式（16）。故只需通过MATLAB的SIMULINK仿真平台，进行主回路的PID参数整定。在Matlab/Siulink环境下建立二阶滞后系统PID双闭环控制系统的仿真模型如图6.1所示。图 6.1：双闭环流量比值控制系统的仿真控制根据双容水箱的传递函数，设置PID调节器滞后加两个惯性环节、和一个时间滞后环节，设滞后时间为5s。根据上文分析得到的副回路参数，可设定副回路的PID调节器参数为：再采用临界比例度法选定主回路PID控制器的参数，设置仿真时间为500s，经调试发现，当时，示波器图像处于临界比例状态。如图6.2。图 6.2：PID调节器临界比例状态如图6.2中，色线为阶跃给定输入，紫色线为主回路输出跟随线，此时为紫色线等幅震荡图像。观察图像可大致估计得：则根据表5.2，得PID整定参数为 则对应的调节器参数为： PID参数和手工再次微调得到了较好的参数。最后得到主控制器的PID输出相应曲线为6.3。图 5.3: 主回路PID控制响应曲线可见，PID控制质量好坏的关键取决于其参数的整定。常规PID控制参数一般由人工整定，现有的参数整定方法(如上述的衰减比例法、临界比例度法等)大多需要提前获取对象特征参数，再根据经验公式进行计算，适用于手工离线整定，效率较低，对于难以获得精确数学模型的非线性时变系统则显得无能为力；现代工业控制系统中存在的不确定性，又易造成模型参数变化甚至导致模型结构突变，使得经一次性整定得到的PID参数无法保证系统一直保持良好的工作状态。7. 实验法测量双闭环流量比值控制系统7.1双闭环流量比值控制系统工艺流程图根据2.2节流量比值双闭环系统的分析得到实验方框图如图2.2，再由此设计出双闭环流量比值控制系统的工艺流程图如图7.1.图表 6.1值双闭环系统工艺流程图 7.2实验过程7.2.1双容水箱参数整定实验 首先需要对双闭环流量比值控制系统的被控对象进行实验，测得被控对象的传递函数，由于主副回路流过同一套实验装置（3号和1号水箱啊），所以主副回路的被控对象都为双容水箱自衡过程系统。图 7.2：双容自衡水箱接线图及组态结果如图7.2，打开主回路（蓝色）的各个开关，电动调节阀、电磁流量计、主回路进水阀门及三号水箱进水阀门，关闭1好水箱入水阀门，构成双容自衡系统。在PLC面板上，电动机调节阀输入和3号水箱输出。实验过程：给定输入流量为5%时，调节1号水箱的入水阀门和出水阀门，达到3号水箱液面稳定不变，再突然加入给定信号，输入流量为15%，观察自衡过程曲线，如上图，最后3号水箱液面保持稳定。通过上述双容水箱系统的机理分析及运算得到被控对象的传递函数为：7.2.2副回路PID参数整定实验如图7.3，关闭主回路的接线（蓝色），只打开副回路的各个开关，并在涡轮流量计的组态画面下进行PID参数界面整定。通过不断调试，最终达到给定一个流量变化时，输出能够快速并且以很小超调，无稳态误差的输出时的PID参数为：7.2.3双闭环PID的参数整定实验图表 7.3：流量比值双闭环系统组态检测图限于实验室目前使用现状，本实验采用西门子PLC智能控制模块，通过上位计算机直接控制系统来实现水流量控制，计算机通过采集控制台中的电流、电压等信号，应用下组态监控软件构造生成上位机监控系统，并与控制对象中的电动调节阀配套使用，组成调节回路。 结合实验装置水箱主体构成流量比值双闭环系统，可连线组成主副管路双容水箱流量比值控制系统实验线路。如图7.3开通磁力驱动循环泵、电动调节阀、变频器调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、3号和1号水箱等6个进水阀所组成的水路系统，关闭4号、6号和温度加储水箱6个出水阀及通往其他对象的切换阀，可构成双闭环流量比值控的制实验线路，其中双容水箱系统阀门的关合构成双容自平衡系统，并在西门子PLC实验面板上接通电动机调节阀、变频器调节阀、三号水箱的水流量输入和检测控制等线路。副回路的P