工业被控过程建模与控制器参数的工程整定

1、学生姓名:课程设计任务书专业班级: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MATLA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MATLA软件对给定的工程数据进行工程测试建模。具体要求为： 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

2、法对某一工业生产过程建立数学模型。要求模型传递函数K s为：G(s) e ，写出建模的详细过程，并绘制出示意图。Ts 1 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件绘制出其响应曲线。t(s)01020406080100140y000.20.823.65.48.8t(s)180250300400500600y11.814.416.618.419.219.6 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。 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

3、）数学模型，应用 MATLA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： 以得到的对象数学模型为广义被控对象，在 MATLAB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,2. 正文层次：正文内容层次序号为：右空

4、2.0cm）： 1、 1.1 、，其中.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：.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）（2）.方案论证：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 及所采用方案的特点。.设计内容：对设计工作的详细表述。要求层次分明、表达确切。.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。（5）.结论或总结：对整个研究

5、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.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。（2）.曲线图表要求： .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）。 .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

6、）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MATLA资料，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日元成设计报告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

7、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，基本上都是劳动强 度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成 厂家的的损失。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

8、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。作为主要是针对单容储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

9、计是工业被控过程建模与控制器参数的工程整定， 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。2）对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB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。2 设计方案2.1 建模的一般方法建立被控过程数学模型的方法一般有：机理建模、试验建模、混合建模。机理建模是根据对象或是生产过程的内部机理， 写出各种有关的平衡方程， 如 物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程以及某些设备方程、化学反应定律 等，从而得到对象的数

10、学模型。这类模型通常称为机理模型。这种方法建立的模 型的最大优点是具有非常明显的物理意义，模型具有很大的适应性，便于模型参 数的调整。试验建模是在机理建模难以建立的情况下， 可以采用试验建模的方法得到对象的数学模型。试验建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。混合建模将机理建模和试验建模结合起来就是混合建模。混合建模是一种比较实用的方法，它先由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

11、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。方法二：临界比例度（带）法：比例度（带）（%）: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，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T(S)Td(S)P2 S

12、 SPI2.2 S STs/1.2PID1.6 S S0.5Ts0.125Ts方法三：衰减曲线法：在闭环系统中，先把控制器设置为纯比例作用，然后2.2所示。把 比例带由大逐渐减小（对应的比例系数Kc由小逐渐变大），加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现4:1衰减过程为止，如图图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S表示之。相邻两波峰间的距离称为最后对参数进行微调，直衰减周期Ts,记录s和Ts。按表2所示经验公式整定。到动态过程满意为止。表2衰减曲线法相关参数的整定S( %Ti(S)Td(S)PPI1.2s0.5 TsPID0.8s0.3 Ts0.1 Ts方法四：响

13、应曲线法：其控制原理图如图2.3所示。图2.3响应曲线法控制原理图y(t)，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 由该图可确定 、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2.3 最佳方案很容易建立数学模型。所单容 储液槽液位控制系统主要是实现对液位的控制，单容储液槽有两个可以控制的变量，一个 进水口的流量，另一个是出水口的流量。通过容积与流量的平衡方程以被控制过程建模采用机理建模。参数

14、整定可以选用的方法也较多在本设计中采用临界比例度法进行整定。跟 其它的方法相比较，临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 被控对象的解析本设计探讨的是单容 储液槽 的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参 数，有必要知道被控对象上 储液槽 的结构和特性。由图 3.1 所示可以知道，单容 储液槽 的流量特性： 储液槽 的出水量与水压有关， 而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当 储液槽 水位升高时，其出水量也在不断 增大。所以，若阀V2幵度适当，在不溢出的情况下，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

15、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 单容储液槽的建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容 储液槽（图 3-1 ）。要对该对象进行储液较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容槽是一个自衡系统。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Qi，出水量为Q2 ,储液槽的液面高度为h,出水h为其输出变量，则该被阀V2固定于某一幵度值。若Qi作为被控对象的输入变量, 控对象的数学模型就是 h与Qi之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有QiQ2cdhdt(2-1)将式（2-1 ）表示为增量形式QiQ2(

16、2-2)式中，Qi、 Q2、h 分别为偏离某一平衡状态 Qo、Q20、ho的增量；C储液槽底面积。在静态时，QiQ2 ； 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,Q2也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为 Qi与h成正比，而与阀V2的阻力R2成反比，即Q2 K 或R2Q2(2-3)式中，R2为阀V2的阻力，称为液阻。将式（2-3 ）代入式（2-2 ）可得R2CQi(2-4)在零初始条件下，对上式求拉氏变换,得:Go(s) H(s)R2Ql(s)R2CS 1Ts(2-5)式中,T

17、 R2CS为水箱的时间常数（注意：阀V2的幵度大小会影响到水箱的时间常数），K R2为过程的放大倍数。令输入流量Qi（s） Ro/s，Ro为常量，则输出液位的高度为:层阻JKRi_s(Ts 1) s s 1/T(2-6)(2-7)Ith(t) KR0(1 e T )时，h()KR。因而有(2-8)输出稳态值阶跃输入当t=T时，则有h(T)KRo(1 e 1)O.632KR00.632h()(2-9 )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法。根据给被控过程施加的激励信号和数据分析方法的不同,主要有如下方法:a)时域方法b)频域方法

18、c)统计相关法本次设计中使用的是时域发中的阶跃响应曲线法：对处于幵环、稳态被控过程,使其输入作阶跃变化，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般确定传递函数的形式要根据被控过程的先验知识、简历数学模型的目的及对模型的准确性要求拉起选择。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。

19、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OB即为对象的滞后时间T, BC为对象的时间常数To4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 MATLA仿真之后，进行数据分析实现。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MATLAB件绘制出其响应曲线。表4单位阶跃输入下的输出数据t(s)01020406080100140y000.20.823.65.48.8t(s)180250300400500600y11.814.416.618.419.219.6由MA

20、TLAB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由式Kc y()y(0)，结合图形可得：Kc 匚卫19.6Xo14.2数学模型的参数确定由上分析数学模型的参数的确定用切线法，由MATLA仿真等到的切线如图4.2所示。=5由图中所标参数值可以近似得到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431拟合模型根据上面计算出的广义对象的数学传递函数，使用matlab画出模型如图4.3所 示:图4.3拟合系统仿真图由拟合系统仿真图得到拟合

21、曲线图，如图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 MATLA啲simulink模块画出仿真结构图,输入传函和延迟模块的参数,然后设定仿真时间为600s,积分微分环节设置为零,本次设计采用临界比例度（带）法。比例度（带）（%）与比例系数Kc成反比之后进行调试仿真，仿真结构图如图4.5所示。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

22、0.55，由图4.6可得Ts 373s 229s 144s。则按经验公式可0.275，将比例器的放大得，当采用纯比例时，比例系数K丄可得出K竺2 S2系数改为0.275，在进行仿真得到波形如图4.7所示。图4.7 比例控制输出波形詈120 ，则4.8所示。当采用PI调节时，由经验公式得 K 色0.25, Ti2.21Ki 0.0083，将调节器的参数设定为此值，所得波形如图120图4.8 比例积分控制输出波形当采用PID控制器时，由经验公式可得出K 055 0.3438，Ti 0.5 144 72， 161Ki 0.0139，Td 0.125 Ts 0.125 144 18, Kd Td 18，将控制器的参数设定为此值得到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