《过程控制技术》课程设计-水箱液位与进水流量前馈反馈控制系统的设计与仿真

1、设 计 任 务 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 水箱液位和进水流量前馈反馈控制系统 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017年 7月 1日过程控制技术课程设计任务书全套设计加扣 30122505821、 设计题目液位流量前馈反馈设计与仿真2、 主要内容1、以THJ-3高级过程控制实验对象系统的下水箱液位作为为研究对象，进水流量为主要的扰动，设计出合理的控制方案。利用MATLAB的曲线拟合的方法分别得出系统系统中的下水箱液位的传递函数以及进水流量为主要的扰动的传递函数。2、利用MATLAB的

2、Simulink搭建水箱液位与进水流量前款反馈控制系统。3、整定控制器的PID参数，并给出整定后的阶跃响应曲线并进行分析，得出结论。（进水流量为主要扰动）三、设计要求1、分析控制系统各个环节的动态特性，建立被控对象的数学模型。2、根据其数学模型，选择控制方案3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，整定调节器参数。4、根据整定的参数，得出控制效果曲线，并对结果进行比较分析，得出结论。四、设计步骤1、查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2、设计实验方案，给出实验接线图。得出对象的数学模型。3、在Matlab上进行模型的搭建与仿真，分析仿真曲线，得出结论4、编写设计说明书。五、设

3、计说明书要求1、完整的设计任务书。2、查找文献资料，阐述设计的目的和意义。3、被控对象简介，控制方案的选择（被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制规律的选择等），给出实验线路。5、被控对象数学模型的建立。6、在Matlab上进行模型的搭建与仿真。7、结论。8、设计体会（可选）.9、参考文献. 2017年 7月 3日至 2017 年 7月 7日（1周）指导教师 设 计 说 明 书过程控制技术课程设计设 计 题 目： 水箱液位与进水流量前馈反馈控制系统的设计与仿真 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14电气工程及其自动化 学 生 姓 名：

4、 福建农林大学机电工程学院电气工程系2017 年 7月7日目录目录11、设计任务分析11.1背景11.2设计内容及目的12、控制系统总体方案设计22.1 水箱液位与进水流量前馈反馈控制系统对象简介22.2 控制系统的方案选择22.2.1被控参数及控制参数的选择22.2.2测量变送器的选择32.2.3执行器的选择32.2.4控制器的选择33、被控对象数学模型的建立43.1 被控对象数学模型的建立的方法简介43.2 被控对象数学模型的建立44、在Matlab上进行模型的搭建与仿真64.1 在Matlab上进行模型的搭建64.2 控制器的参数整定64.2.1临界比例度整定方法74.2.2临界比例度整

5、定方法84.3 整定后的阶跃响应曲线85、结论101、设计任务分析1.1背景在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,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,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、

6、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。1.2设计内容及目的设计供水水箱的液位控制系统，要求在采用仪表控制的情况下，设计一个单回路控制系统，系统使用PID调节器。各环节选用适当的仪表和器件，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，并可以通过实验加以验证。分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点。系统在上下水流量发生变化时，能快速恢复到设定值。2、控制系统总体方案设计2.1 水箱液位与进

7、水流量前馈反馈控制系统对象简介以THJ-3高级过程控制实验对象系统简介（实验指导书）本课程设计对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：2.2 控制系统的方案选择方案选择包括被控参数选择、控制参数选择、测量变送器的选择，执行器的选择、控制器的选择、控制

8、规律的选择等2.2.1被控参数及控制参数的选择被控参数的选择是控制系统的核心问题，被控参数选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。对于任何一个控制系统，总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用，如果被控变量学则不当，配备再好的自动化仪表，使用在复杂、先进的控制规律也无用的，都不能达到预期的控制效果。对于水箱液位控制系统，其被控变量是显而易见的，液位就是其被控参数，是直接参数控制。2.2.2测量变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位

9、进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。2.2.3执行器的选择1电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、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，电源为单相220V，控制信号为420mADC或15VDC，输出为420mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。2水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为

10、16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580；工作电压：24VDC。 2.2.4控制器的选择控制器是控制系统的核心部件，它将安装在生产现场的测量变送装置送来的测量信号与设定值进行比较产生偏差，并按预先设置好的控制规律对该偏差进行预算，产生输出型号去操纵执行器，从而实现对被控制

11、变量的控制。选用PID控制器，其控制规律：理想比例积分微分控制规律PID的表达式： 虽然微分作用对于克服容量滞后有显著的效果，但对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上加上微分作用能提高系统的稳定性，再加入积分作用可以消除余差。所以适当调整d、IT、DT三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。由于，PID控制规律集中了三种控制作用的优点，既能快速进行控制，有能消除偏差，还可以根据被控制变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能，所以在实际应用中得到广泛应用。3、被控对象数学模型的建立3.1 被控对象数学模型的建立的方法简介该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原

12、有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。3.2 被控对象数学模型的建立1）确定过程的输入变量和输出变量如下图所示，流入水箱的流量1F是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量2F取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量1F是过程的控制输入（即操纵量），出料流量2F是外部扰动。本设计以进料流量1F作为输入变量。（2）根据过程内在机理，列写原始方程根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其静态方

13、程为：10F-20F=0（16），10F、20F分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量1F突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为：分别为1F和2F的增量。设水箱截面积为A，则有V=AL，其增量形式为dV=AdL，即：将得将式（19）减去式（16）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：（3）消去中间变量，简化，求的微分方程式中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。式（110）中，为中间变量

14、。与输出变量L的关系可表示为：当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（111）改写成增量形式：则有： 将式（112）代入式（110）中，即得 式（113）即为水箱液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式：或 T为一阶过程的时间常数，RCT=,具有时间量纲；K为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；y（t）为一阶过程的输出变量；X（t）为一阶过程的输入变量；R为阻力系数，R=液位的变化量/出料流量的变化量；C为容量系数，C=储存的物料变化量/液位的变化量。当被控变量的检测地

15、点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间才能流入水箱，使液位发生变化并被检测出来。显然液体流经这段距离所需时间完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为：具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数K、时间常数T和纯滞后时间0t有关综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数K、时间常数T和纯滞后时间这三个特性参数来全面表征。4、在Matlab上进行模型的搭建与仿真4.1 在Matlab上进行模型的搭建4.2 控制器的参数整定临界比例度法第一步

16、是获取系统的等幅振荡曲线，在Simulink中，在反馈连线，微分器的输出连线，积分器的输出连线全部断开，KP的值从小到大试验，每次仿真后，观察示波器的输出，直到得到等幅振荡曲线，如图：由图可知，TS=50；根据PID参数的公式可得KP=0.325/1.7，TI为1/0.5/50，TD为0.125*50。然后连接。仿真运行。波形如4.3.4.2.1临界比例度整定方法临界比例度法。该方法需要做稳定边界实验，在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控量出现临界振荡为止，记下临界振荡周期和临界比例带。然后按照经验公式确定PID参数。由于不易使系统发生稳定的

17、临界振荡或不允许系统离线进行参数整定，临界参数的获取通常用Astrom和Hagglund提出的继电反馈法。它既能保证实现稳定闭环振荡，又不需离线进行，是获得过程临界信息的最简便方法之一。对一阶惯性加纯迟延的对象，时间常数T较大时，整定费时;对干扰多且频繁的系统，要求振荡幅值足够大。二)临界比例度法图3-4 具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表3-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到4：1衰减为目标。

18、表3-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2kPI2.2kTS/1.2PID1.6k0.5TS0.125TS临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态4.2.2临界比例度整定方法选用临界比例度方法，其他上述已经介绍。4.3 整定后的阶跃响应曲线4.4 加入前馈控制后的Matlab上进行模型的搭建调节各种整定参数后的阶跃响应曲线如下：从两张图可以看出加入前馈控制后，干扰明显变小。5、结论通过这次设计使我明白到有些东西看上去非常简单，当自己置身其中去做时，并不容易了。在课程设计的这段时间里，我也发现了自己所应该改进或是较为缺乏的部分，其一是分析问题的能力：可能是自己学习的不够扎实，实习中碰到了不少钉子，遇到问题时头脑很茫然；二是解决问题的成熟度：这也许是个性使然，再加上缺少经验