过程控制课设

1、 华北水利水电大学 North China University of Water Resources and Electric Power 课程 设 计题目 双容液位计算机控制系统 学 院 电力学院 专 业 自动化 姓 名 学 号 指导教师 完成时间 目录1双容液位控制系统31.1 生产工艺与控制原理介绍31.2 相关参数及仪表选择6检测变送装置6执行机构6控制器72 控制系统方框图及控制流程图82.1控制系统方框图82.2 控制流程图93 仿真程序和仿真结果93.1 被控参数整定93.2 控制参数整定113.3 仿真程序113.4 仿真结果134 总结与展望145 心得体会14双容液位算机

2、控制系统摘要：本文双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛应用。在本设计中充分利用计算机技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的控制。首先根据被控对象的传递函数进行分析，求出广义对象的传递函数。其次，求出等效的一阶惯性纯滞后系统。然后，整定出控制器的PID参数，设计数字积分分离PID控制程序。最后，根据阶跃响应曲线，调节PID参数，达到控制指标要求。关键词：双容液位 MATLAB 数字积分分离PID1双容液位控制系统1.1 生产工艺与控制原理介绍在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量

3、，在石油化工环保水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID

4、控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。+r(t) 比例P积分I微分D被控对象 y(t)图3.1 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差： 式（1.1）式（1.2）控制规律为

5、： 函数形式表示： 式（1.3）KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数。PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加

6、而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。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环节或有滞后环节，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。所以在控制器中仅引入“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

7、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。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程

8、整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。1.临界比例法。在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度k和临界振荡周期Tk。2.阻尼振荡法。在闭合控制系统中，把调节器的积分

9、时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：1的衰减为止。记录下此时的4：1衰减比例度和衰减周期Tk。3.反应曲线法若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。1.2 相关参数及仪表选择由测量仪器和传感器的选型原则：（1）可靠性原则。（2）实用性原则。（3）先进性原则。检测变送装置采用工业用的BP800型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量，含不锈钢隔离模片，同

10、时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。当水箱中注水导致液位变化时，BP800压力变送器对被控过程中的流体压力进行测量,过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号,经差分放大器、输出放大器放大后,再经过V/A转换器,转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。表1.2.1压力变送器技术指标被测介质:液体机械保护：IP65测量范围：-100KPa100MPa防爆等级：IaCT5输出：420mA DC二线制关联设备：EXZ231B安全栅准确度：0.5级温度极限:-1080。C 40120。C零点温度系数：小于0.02%/。C过载极限：额定量程的1.53倍满程温度系数:小于0.02%/

11、。C相对湿度:小于95%电源电压：24DC二线制负载电阻：750欧姆执行机构（1）水泵采用16CQ8P型磁力驱动泵,流量为32升/分,扬程为8米,功率为180W.为三相380恒压供水输入。（2）调节阀采用QSVP16K型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制。其由QSL智能型电动执行机构与阀门组合构成。通过将压力变送器检测到的电压/电流信号输入到QSL电动执行机构的智能放大器，和来自位置信号发生器产生的开度信号相比较并放大后,向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动,以改变调节阀的开度,同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统。当其偏差值达到零时,电机停。表1.2.2电动调节阀技术指标阀开关形

12、式：电开式动作速度：0.25mm/s输入控制信号：420mA DC/15V DC流量特性：直线输出信号：420mA DC额定流量系数Kv：1.2输入阻抗：250/500介质温度：-4200。C输出最大负载：<500死区：±1.0%电源：220V/50Hz回差：±1.0%公称直径：20mm可调范围：50:1公称压力：1.6MPa防护等级：IP65行程：10mm功耗：5VA控制器在仪表过程控制系统中，使用智能调节仪表作为控制器。采用上海万讯仪表有限公司的AI-808型仪表，采用AI人工智能调节方式，内含PID调节算法。其可以在误差较大时运用模糊算法进行调节，以消除PID积

13、分饱和现象；当误差趋小时，采用改进后的PID算法调节，调节优化效果。选用的AI-808P型仪表技术指标如下：表1.2.3 智能仪表技术指标热电偶输入：KSREJ等响应时间：0.5s热电阻输入：Cu50Pt100调节方式：位式调节方式/AI人工智能调节线性电压输入：05V输出规格：420mA线性电流输入：420mA报警功能：上限下限正负偏差测量范围：-19999999电源：100240VAC/50Hz测量精度：0.2级环境温度：050。C2 控制系统方框图及控制流程图2.1控制系统方框图 控制器控制阀被控对象检测变送设定值(r) +设输出y图2.1 双容液位控制系统方框图YYN开始回路处于自动？

14、调内存取Kp,Ki，Kd，r,e(k-1),e(k-1)形成采样指令e(k)计算增量输出u（k）e（k）=e（k-1），e（k）=e（k-1）e（k-1），e（k-1）送内存形成输出采样指令并输出结束k>200？N手动2.2 控制流程图图2.2 数字式PID增量式控制算法程序框图3 仿真程序和仿真结果3.1 被控参数整定假定被控对象为二阶惯性环节，其传递函数为：式（3-1）测量装置和调节阀的特性为：式（3-2），式（3-3） ,广义对象的传递函数为Gp(s)=Gv(s)G(s)Gm(s)式（3-4）需用matlab求出Gp（S）的单位阶跃响应，仿真程序如下：num1=1den1=100

15、180 97 18 1sys1=tf(num1,den1) step(sys1)其阶跃响应曲线如图将其等效为一阶惯性纯滞后式（3-5）GS=Ke-sTs+1使用两点法取y*t1=0.39式（3-6）y*t2=0.63式（3-7）则可得T=2t2-t1 =2t1-t2从上图的两个点（12.8，0.39），（19，0.63）带入上式得：= 6.6，T=12.4 3.2 控制参数整定式（3-8）式（3-9） 式（3-10）运用动态特性参数法整定，采用广为流传的科恩（Cohen）-库恩（Coon）z整定公式:KPK=1.35(/T)-1+0.27TI/T=2.5(/T)+ 0.5(/T)2/1+0.6

16、(/T)TD/T=0.37(/T)/1+0.2(/T)计算得：KP=2.8062TI=13.838TD=2.20723.3 仿真程序%积分分离式PID%采样时间ts=1;%被控对象离散化sys=tf(1,100 180 97 18 1);dsys=c2d(sys,ts,'zoh');num,den=tfdata(dsys,'v');u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;y_4=0;error_1=0;error_2=0;ei=0;for k=1:1:200 time(k)=k*ts; %离散化对象 yout(k)=-

17、den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3-den(5)*y_4+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3+num(5)*u_4; %积分分离 rin(k)=40; error(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts; M=1;%通过在此处改变M取值来选择是用普通PID或积分分离PID if M=1 %采用分段积分分离方式 if abs(error(k)>=30&abs(error(k)<=40 beta=0.3; elseif abs(error(k)>=20&abs(error

18、(k)<=30 beta=0.6; elseif abs(error(k)>=10&abs(error(k)<=20 beta=0.9; else beta=1.0; end elseif M=2 %不采用积分分离方式 beta=1.0; endkp=2.2;ki=0.10;kd=6.2;u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+beta*ki*ei; %控制器的输出限幅 if u(k)>=110 u(k)=110; end if u(k)<=-110 u(k)=-110; end u_4=u_3;u_3=u_2;

19、u_2=u_1;u_1=u(k); y_4=y_3;y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k);endplot(time,rin,'b',time,yout,'r');xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');3.4 仿真结果由KI=KPT/TI KD=KPTD/T 得 KI=0.202 KD=6.19 KP=2.8026如下图没调节参数： 调节参数后 KP=2.2 KI=0.10 KD=6.19仿真结果如下:由上图很明显看出超调量小于12%，调节时间约为小于40s,满足控制要求。4 总结与展望在这次课程设计中我选的题目是“双容液位计算机控制系统”根据任务要求完成以下任务：1) 需先求出广义对象的传递函数，求出等效