工业被控过程建模与控制器参数

1、矮工业被控过程建伴模与控制器参数癌的工程整定按1 选题背景和跋设计任务斑1.1选题背景搬敖过程控制是自动爱技术的重要应用翱领域，它是指对扮液位、温度、流昂量等过程变量进摆行控制，在冶金爱、机械、化工、昂电力等方面得到靶了广泛应用。尤拌其是液位控制技绊术在现实生活、板生产中发挥了重哀要作用。百锅炉捌汽包液位的控制疤，如果锅炉内液岸位过低，会使锅俺炉过热，可能发肮生事故疤。在这些生产领案域里，基本上都半是劳动强度大或八者操作有一定危昂险性的工作性质碍，极容易出现操皑作失误，引起事跋故，造成厂家的按的损失。傲可见，在实际生白产中，液位控制捌的准确程度和控爱制效果直接影响半到工厂的生产成扮本、经济效益

2、甚拔至设备的安全系扒数。所以，为了背保证安全条件、岸方便操作，就必啊须研究开发先进佰的液位控制方法叭和策略。哀由于工业生产过捌程复杂安多样，凹因此，在设计工耙业生产过程控制暗系统时，首先必般须花大量的时间翱和精力去了解该跋工业生产过程的哎基本原理、操作拌过程和过程特性班，这是设计和实俺现一个工业生产拌过程的首要条件败。扳要实现过程自动拌控制，还需要对唉整个工业生产过岸程的物料流、能办源流和生产过程案中的有关状态进搬行准确的测量斑和计量。根据测跋量得到的数据和敖信息，用生产过半程工艺和控制理暗论知识来管理和稗控制该生产过程颁。跋MBATLA软盎件是一款进行高背效工程计算、数吧据分析与可视化叭编程

3、、系统仿真暗、科学和工程绘巴图等功能强大的隘优秀软件。氨能够用于系统建扒模和仿真，方便柏用于系统参数整矮定。1.2设计任务搬 工业生产盎过程的扰动作用八使得生产过程操拌作不稳定，从而爱影响工厂生产过挨程的经济效益。扒过程控制的任务阿就是使生产过程稗达到安全、平稳瓣、优质、高效。熬作为自动化最根捌本的目标应是使罢生产过程安全并绊平稳的运行。埃 本课程设矮计是矮工业被控过程建巴模与控制器参数百的工程整定，主巴要是针对爸单容储液槽的水邦位平衡进行机理耙建模。般本设计要求完成瓣如下两个大的设皑计任务，分别是办：把1拜）把对某一工程对象岸进行机理建模，暗应用MATLA敖B软件对给定的扳工程数据进行工伴程

4、测试建模。办2斑）绊对所建立的被控斑对象（广义）数傲学模型，应用M哎ATLAB软件叭，建立闭环控制阿系统模型，并进瓣行工程整定的仿盎真。最终给出仿矮真结果和结论。2设计方案敖2.1建模的一版般方法伴 半 傲建立被控过程数拌学模型的方法一凹般有：机理建模敖、爸试验拔建模、爱混合建模靶。稗机理建模佰是根据对象或是拜生产过程的内部岸机理，写出各种瓣有关的平衡方程矮，如物料平衡方搬程、能量平衡方啊程、动量平衡方败程以及某些设备扳方程、化学反应氨定律等，从而得巴到对象的数学模瓣型。这类模型通坝常称为机理模型拌。这种方法建立白的模型的最大优罢点是具有非常明癌显的物理意义，佰模型具有很大的班适应性，便于模俺

5、型参数的调整。癌试验建模是在机佰理建模难以建立办的情况下，可以拜采用试验建模的安方法得到对象的白数学模型。试验奥建模针对所要研隘究的对象，人为鞍地施加一个输入颁作用，然后用仪暗表记录表征对象伴特性的物理量随跋着时间变化的规稗律，得到一系列罢的试验数据或者肮是曲线。通过对爸曲线的分析获得按必要的规律信息隘。坝混合建模将机理坝建模和试验建模傲结合起来就是混俺合建模。混合建颁模是一种比较实拔用的方法，它先傲由机理分析的方稗法提出数学结构碍模式，然后对其肮中某些未知的或埃不确定的参数利艾用试验的方法予唉以确定。哎2.2艾控制体统参数的氨工程整定坝方法一：经验法啊：根据经验和先柏验知识确定一组罢参数，然

6、后根据摆各参数的影响，昂调整参数，直至拌满意为止。由于啊我们经验和先验斑知识不足，所以唉本次设计中不使巴用此方法。熬方法二：临界比奥例度（带）法：佰比例度（带）鞍(%)佰 碍：白与比例系数霸Kc耙成反比关系。岸这种整定方法是邦在闭环情况下进巴行的。设安TI=颁，白TD=0佰 氨，使控制器工作按在纯比例，使系八统的输出响应情笆况下，将比例带瓣由大逐渐变小碍(耙对应的比例系数爸Kc罢由小逐渐变大笆)邦呈现等幅振荡。熬等幅震荡的波形靶及相关参数的获肮取如图2.1所盎示：艾图2.1 等幅把震荡波形图邦临界比例度法整癌定经验公式奥如表1所示板，按最后对参数进行暗微调，直到动态唉过程满意为止艾。扮表1 笆

7、临界比例度法整笆定经验公式伴氨 熬T班i啊(S)办 柏T蔼d敖(S)绊 熬P靶 疤2袄般S隘 隘盎霸把PI哀 伴2.2拜哎S鞍 把T半S奥/1.2氨 阿PID扒 蔼1.6芭扳S暗 笆0.5T阿S吧 俺0.125T爸S百 昂方法三斑：鞍衰减曲线法：瓣在闭环系统中，芭先把控制器设置斑为纯比例作用，扳然后把 比例带爸由大逐渐减小办(爸对应的比例系数唉Kc霸由小逐渐变大澳)扒 班，加阶跃扰动观挨察输出响应的衰拔减过程，直至出白现败4:1按衰减过程为止，疤如图2.2所示耙。袄图2.2加阶跃熬扰动的输出曲线昂这时的比例带称靶为隘4:1案衰减比例带，用拔啊S扒表示之。相邻两柏波峰间的距离称蔼为衰减周期巴T翱

8、S爱，吧记录邦拌S艾和埃T佰S败。澳 跋按表2所示癌经验公式整定奥。扳最后对参数进行扒微调，直到动态办过程满意为止隘。靶表2衰减曲线法吧相关参数的整定岸 隘坝（%）盎 拌(S)把 背(S)熬 懊P班 蔼PI叭 埃1.2鞍 颁0.5啊 皑PID隘 办0.8跋 佰0.3埃 坝0.1 拔方法四颁：隘响应曲线法肮：癌其控制原理图如盎图2.3所示。氨图2.3 响应皑曲线法控制原理佰图鞍令控制器的输出熬为幅度为爱x0,伴的阶跃信号，则罢对象经测量变送鞍器后的输出俺Y班（拜t办）， 班由该图可确定伴笆、伴T半和 肮Kc鞍。板相关参数的确定熬如图2.4所示翱。斑图2.4 输出搬波形及相关参数坝的确定耙 奥 颁

9、 唉 哎通过下式将比例绊系数转化为比例摆度：白利用胺表般3败所示的经验公式爱，就可计算出对爱应于衰减率为哀4:1稗时控制器的相关傲参数。霸表3响应曲线法熬相关参数整定的耙经验公式2.3最佳方案巴单容水箱液位控拔制系统主要是实扮现对液位的控制敖，单容水箱有两袄个可以控制的变半量，一个进水口吧的流量，另一个癌是出水口的流量版。通过容积与流笆量的平横方程很扳容易建立数学模疤型。所以被控制吧过程建模采用机白理建模。白参数整定可以选隘用的方法也较多袄在本设计中采用颁临界比例度法进巴行整定。鞍跟其它的方法相肮比较，临界比例扮度法简单快捷，凹所以可以采用临斑界比例度法进行拔整定。澳3哎单容水箱液位控耙制系统

10、建模耙3.1被控对象搬的解析败本设计探讨的是扮单容水箱的液位阿控制问题。为了笆能更好的选取控岸制方法和参数，蔼有必要知道被控邦对象搬败上水箱的结构和扒特性。扳由图3.1所示拌可以知道，单容艾水箱的流量特性熬：水箱的出水量蔼与水压有关，而扳水压又与水位高皑度近乎成正比。爱这样，当水箱水肮位升高时，其出班水量也在不断增瓣大。所以，若阀哎开度适当，在不爱溢出的情况下，靶当水箱的进水量靶恒定不变时，水隘位的上升速度将傲逐渐变慢，最终啊达到平衡。由此蔼可见，单容水箱澳系统是一个自衡把系统。柏图3.1 单容霸水箱结构图澳3.靶2唉单容把水箱伴的肮建模败这里研究的被控胺对象只有一个，澳那就是单容水箱埃（图2

11、-1）。吧要对该对象进行拜较好的计算机控翱制，有必要建立佰被控对象的数学蔼模型。正如前面拔提到的，单容水巴箱是一个自衡系背统。根据它的这昂一特性，我们可暗以用阶跃响应测肮试法进行建模。班如图2-1，设佰水箱的进水量为绊Q1，出水量为瓣Q2，水箱的液背面高度为h，出版水阀V2固定于碍某一开度值。若艾Q1作为被控对案象的输入变量，版h为其输出变量霸，则该被控对象懊的数学模型就是爸h与Q1 之间白的数学表达式。班根据动态物料平皑衡关系有败 班 把 班 板 碍 背 （2-1癌）邦将式（2-1）跋表示为增量形式熬 熬 版 坝 靶 佰 皑 （2-2）啊式中，澳、癌、碍艾分别为偏离某一百平衡状态奥、隘、俺的

12、增量； C把半水箱底面积。跋 在静态时疤，癌=按；巴=0；当傲发生变化时，液鞍位h随之变化，拌阀哎处的静压也随之爸变化，版也必然发生变化哀。由流体力学可办知，流体在紊流奥情况下，液位h胺与流量之间为非埃线性关系。但为袄简化起见，经线绊性化处理，则可胺近似认为瓣与熬成正比，而与阀把的阻力坝成反比，即胺 或 爸 耙 颁 鞍 （2-3班）爱式中，柏为阀柏的阻力，称为液啊阻。绊将式（2-3）癌代入式（2-2斑）可得坝 澳 碍 （2把-4）皑在零初始条件下般，对上式求拉氏俺变换，得：笆 背 办 （2-5）佰式中，T=R2巴C为水箱的时间埃常数（注意：阀哀V2的开度大小扮会影响到水箱的鞍时间常数），K八=

13、R2为过程的败放大倍数。令输办入流量搬=熬，叭为常量，则输出敖液位的高度为：败 百 盎 (2-6懊)巴即 哀 伴 暗 百 （2-岸7）埃当t胺时，哀 因而有耙 芭 岸 啊 伴 办 （2-8）罢 当搬t=T时，则有芭 肮 蔼 （2扒-9）半3.3 实验法哎建模俺实验法建搬模是工具工业过皑程中输入、输出笆的实测数据进行案的某种数学处理阿后得到奥数学模型的建模挨方法。根据给被半控过程施加的激埃励信号和数据分扮析方法的不同，绊主要有如下方法碍：时域方法频域方法统计相关法败本次设计中使用袄的是时域发中的耙阶跃响应曲线法耙：对处于开环、鞍稳态被控过程，耙使其输入作阶跃班变化，测得被控伴过程的阶跃响应笆曲线

14、，求出被控胺过程输入与输出瓣之间的动态数学胺关系把摆传递函数。氨要确定被控对象办的传递函数，可唉以分两步来做：胺确定传递函数的袄形式扒一般确定传递函耙数的形式要根据半被控过程的先验把知识、简历数学按模型的目的及对艾模型的准确性要八求拉起选择。在鞍满足精度的情况办下，尽量选择低癌阶形式。本次设拜计中使用一阶模安型即可。确定模型参数哎根据阶跃响应曲哀线，求出模型参袄数。对于一阶模霸型，此次用切线隘法来确定。稗实际生产过程的笆阶跃响应曲线呈艾现如图2所示的艾S型曲线是最常半见的。用切线法阿确定一阶惯性加鞍纯滞后的特征参氨数方法如下。胺图3.2切线法八确定一阶惯性加袄纯滞后的特征参暗数袄在此曲线的拐点

15、皑D处做一切线，霸它与时间轴交于耙B点，与响应稳芭态值渐近线交于靶A点。图2中的班OB即为对象的蔼滞后时间哀唉，BC为对象的凹时间常数T。胺4 控制系统的艾工业整定颁4.1广义对象肮的阶跃响应曲线啊控制系统的参数邦整定可以用MA澳TLAB仿真之柏后，进行数据分啊析实现。爱按照拔表耙4唉给出的广义被控凹生产过程的单位翱阶跃输入下的输阿出数据，要求应佰用MATLAB阿软件绘制出其响爸应曲线。靶表4矮单位阶跃输入下瓣的输出数据爸t(s)凹0疤10百20百40版60八80蔼100把140叭y颁0凹0板0.2傲0.8跋2肮3.6肮5.4挨8.8半t(s)搬180哎250笆300艾400耙500奥600癌

16、y霸11.8般14.4懊16.6矮18.4摆19.2鞍19.6八由MATLAB版绘暗出的图像如图4办.1所示瓣图4.1挨单位阶跃输入下翱的熬输出响应曲线蔼由式袄，结合图形可得澳：霸4.2版 数学模型的参班数确定把由上分析数学模笆型的参数的确定奥用切线法，由M搬ATLAN唉仿真等到的切线笆如胺图般4.2所示。昂图4.2响应曲盎线的切线图碍由图中所标参数扒值可以近似得到哎般=33s,T=笆236s，又有澳前所得广义对象摆的传递函数如下哎：芭将邦挨、T的数值代入昂式中可以得到广八义对象的数学传暗递函数为：哀4.3瓣控制器唉参数的盎工程整定坝 捌运行MATLA疤B，设计系统结伴构，通过MAT盎LAB的

17、唉simulin百k癌模块画出仿真结癌构图，然后设定挨仿真时间为60盎0s，积分俺微分柏环节设置为零，吧输入传函和延迟安模块的参数，之耙后进行调试仿真把，仿真结构图如安图4.3所示。笆图4.3 系统瓣仿真图哎本次设计采用临翱界比例度（带）阿法吧。案比例度（带）败安(%) 与比例般系数Kc柏成反比关系，百这种整定方法是翱在闭环情况下进澳行的。设TI=扒败，TD=0 ，佰使控制器工作在唉纯比例情况下，肮将比例带由大逐斑渐变小(对应的昂比例系数Kc由盎小逐渐变大)，八使系统的输出响办应呈现等幅振荡伴，波形如图袄4.4哀所示。奥图蔼4.4 背临界比例度法输芭出响应等幅振荡八曲线图安由图4.3可得敖，敖

18、。则按经验公式邦可得，当采用纯埃比例时，比例系懊数熬可得出隘，将比例器的放爸大系数改为罢0.31柏25扳，在进行仿真得啊到傲波形矮如图白4.5背所示。坝图颁4.5 氨 办比例控制耙输出波形罢当采用PI调节盎时，由经验公式板得啊,拌 八，则翱，将调节器的参拔数设定为此值，安所得波形如图隘4.6傲所示。懊图哀4.6把 挨 哀比例积分控制输版出波形挨当采用PID控般制器时，由经验昂公式可得出白，阿，埃，捌,颁 熬将控制器的参数挨设定为此值得到碍PID调节的埃波形如图阿4.7巴所示。胺图凹4.7拔 比例积分微伴分控制输出波形隘4.4控制器的半选择捌通过参数整定得搬出的仿真图形可鞍以看出：比例控袄制调节

19、速度较快隘，矮过渡时间短，系佰统较达到稳定。肮比例积分控制调拌节速度比比例控艾制稍慢一点，超拜调较大，系统达埃到稳定的时间较肮长。比例积分微爸风控制调节速度拜最快，但是超调爱最大，而且系统澳稳定时间也较长奥。肮所以对于单容水败箱的液位控制系案统可以采用比例埃控制。比例控制爸克服干扰能力强氨、控制及时、过吧渡时间短。比例凹控制结构简单，皑系统稳定性好，熬能够满足单容水班箱的液位控制系熬统的控制要求。5总结隘 办 柏通过本课程设计矮加深了对过程控盎制和自动控制思哀想的理解，对典凹型的PID调节摆有更深刻的认识捌，同时掌握了工岸业被控过程的建般模和控制系统的癌工程整定的一般阿方法，提升了对扮过程控制的兴趣罢，为今后的进一拜步学习打下了良摆好的基础。八 凹 胺本课程设计主要爱是两大部分，一按个是过程的建模唉，另一个是参数疤的整定。对于每爱一个板块都有