工业被控过程建模与控制器参数

1、工业被控过程建模与操纵器参数的工程整定1 选题背景和设计任务1.1选题背景过程操纵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操纵，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位操纵技术在现实生活、生产中发挥了重要作用。锅炉汽包液位的操纵，假如锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故。在这些生产领域里，差不多上差不多上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，液位操纵的准确程度和操纵效果直接阻碍到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。因此，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液

2、位操纵方法和策略。由于工业生产过程复杂多样，因此，在设计工业生产过程操纵系统时，首先必须花大量的时刻和精力去了解该工业生产过程的差不多原理、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。要实现过程自动操纵，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。依照测量得到的数据和信息，用生产过程工艺和操纵理论知识来治理和操纵该生产过程。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，

3、从而阻碍工厂生产过程的经济效益。过程操纵的任务确实是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效。作为自动化最全然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操纵器参数的工程整定，要紧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，分不是：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。2）对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB软件，建立闭环操纵系统模型，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

4、理建模是依照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特不明显的物理意义，模型具有专门大的适应性，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，能够采纳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刻变化的规律，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确实是混合建模。混合建

5、模是一种比较有用的方法，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操纵体统参数的工程整定方法一：经验法：依照经验和先验知识确定一组参数，然后依照各参数的阻碍，调整参数，直至中意为止。由于我们经验和先验知识不足，因此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 ，使操纵器工作在纯比例，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猎取如图2.1所示：图2.1

6、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，直到动态过程中意为止。表1 临界比例度法整定经验公式 Ti(S) Td(S) P 2S PI 2.2S TS/1.2 PID 1.6S 0.5TS 0.125TS 方法三：衰减曲线法：在闭环系统中，先把操纵器设置为纯比例作用，然后把 比例带由大逐渐减小(对应的比例系数Kc由小逐渐变大) ，加阶跃扰动观看输出响应的衰减过程，直至出现4:1衰减过程为止，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S表示之。相邻两波峰间的距离称为衰减周期TS，记录S和TS。 按表2所示经验公式整定。最后对参数进

7、行微调，直到动态过程中意为止。表2衰减曲线法相关参数的整定 （%） (S) (S) P PI 1.2 0.5 PID 0.8 0.3 0.1 方法四：响应曲线法：其操纵原理图如图2.3所示。图2.3 响应曲线法操纵原理图令操纵器的输出为幅度为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时操纵器的相关参数。表3响应曲线法相关参数整定的经验公式2.3最佳方案单容水箱液位操纵系统要紧是实现对液位的操纵，单容水箱有

8、两个能够操纵的变量，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横方程专门容易建立数学模型。因此被操纵过程建模采纳机理建模。参数整定能够选用的方法也较多在本设计中采纳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，因此能够采纳临界比例度法进行整定。3单容水箱液位操纵系统建模3.1被控对象的解析本设计探讨的是单容水箱的液位操纵问题。为了能更好的选取操纵方法和参数，有必要明白被控对象上水箱的结构和特性。由图3.1所示能够明白，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。如此，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。因此，若阀开度适当，在不

9、溢出的情况下，当水箱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，单容水箱系统是一个自衡系统。图3.1 单容水箱结构图3.2单容水箱的建模那个地点研究的被控对象只有一个，那确实是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行较好的计算机操纵，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。依照它的这一特性，我们能够用阶跃响应测试法进行建模。如图2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为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确实是h与Q1 之间的数学表达式。依照动态物料平衡关系有

10、（2-1）将式（2-1）表示为增量形式 （2-2）式中，、分不为偏离某一平衡状态、的增量； C水箱底面积。 在静态时，=；=0；当发生变化时，液位h随之变化，阀处的静压也随之变化，也必定发生变化。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，则可近似认为与成正比，而与阀的阻力成反比，即 或 （2-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得 （2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： （2-5）式中，T=R2C为水箱的时刻常数（注意：阀V2的开度大小会阻碍到水箱的时刻常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量=，为常量

11、，则输出液位的高度为： (2-6)即 （2-7）当t时， 因而有 （2-8） 当t=T时，则有 （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。依照给被控过程施加的激励信号和数据分析方法的不同，要紧有如下方法：时域方法频域方法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：对处于开环、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，能够分两步来做：确定传递函数的形式一般确定传递函数的形式要依照被控过程的先验知识、简历数学模型的目的

12、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。确定模型参数依照阶跃响应曲线，求出模型参数。关于一阶模型，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，它与时刻轴交于B点，与响应稳态值渐近线交于A点。图2中的OB即为对象的滞后时刻，BC为对象的时刻常数T。4 操纵系统的工业整定4.1广义对象的阶跃响应曲线操纵系统的参数整定能够用MATLAB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

13、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。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MATLAB绘出的图像如图4.1所示图4.1单位阶跃输入下的输出响应曲线由式，结合图形可得：4.2 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MATLAN仿真等到的切线如图4.2所示。图4.2响应曲线的切线图由图中所标参数值能够近似得到=33s,T=236s，又有前所得广义对象的传递函数如下：将、T的数值

14、代入式中能够得到广义对象的数学传递函数为：4.3操纵器参数的工程整定 运行MATLAB，设计系统结构，通过MATLAB的simulink模块画出仿真结构图，然后设定仿真时刻为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4.3所示。图4.3 系统仿真图本次设计采纳临界比例度（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 ，使操纵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4.4所示。图4.4 临界比例度法输出响应等幅振

15、荡曲线图由图4.3可得，。则按经验公式可得，当采纳纯比例时，比例系数可得出，将比例器的放大系数改为0.3125，在进行仿真得到波形如图4.5所示。图4.5 比例操纵输出波形当采纳PI调节时，由经验公式得, ，则，将调节器的参数设定为此值，所得波形如图4.6所示。图4.6 比例积分操纵输出波形当采纳PID操纵器时，由经验公式可得出，, 将操纵器的参数设定为此值得到PID调节的波形如图4.7所示。图4.7 比例积分微分操纵输出波形4.4操纵器的选择通过参数整定得出的仿真图形能够看出：比例操纵调节速度较快，过渡时刻短，系统较达到稳定。比例积分操纵调节速度比比例操纵稍慢一点，超调较大，系统达到稳定的时

16、刻较长。比例积分微风操纵调节速度最快，然而超调最大，而且系统稳定时刻也较长。因此关于单容水箱的液位操纵系统能够采纳比例操纵。比例操纵克服干扰能力强、操纵及时、过渡时刻短。比例操纵结构简单，系统稳定性好，能够满足单容水箱的液位操纵系统的操纵要求。5总结 通过本课程设计加深了对过程操纵和自动操纵思想的理解，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操纵系统的工程整定的一般方法，提升了对过程操纵的兴趣，为今后的进一步学习打下了良好的基础。 本课程设计要紧是两大部分，一个是过程的建模，另一个是参数的整定。关于每一个板块都有专门多的方法实现，在实际的操作中要依照设计的目的、被控的对象，选择合适的方法。在那个过程当中，关于方案的论证确实是一个专门重要的环节，它决定了整个课程设计的质量和效率。假如犯了方向性的错误，最后的结果是事倍功半。在这次的课程设计中关于MATLAB的应用也专门关键，MATLAB是一个专门好的建模仿真软件，整个设计的过程MATLAB是一个核心的工具。通过MATLAB能够专门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。课程设计除了要达到设计任务的要求之外，关于报告格式的规范也专门重要，格式规范便于阅读，能体现一个人的治学态度，