过程控制与集散系统课程设计

二○一三～二○一四学年第一学期信息科学与工程学院课程设计报告书课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：学号：姓名：指导教师：二○一三年十一月一、题目、任务及要求1. 设计题目双容水箱液位前馈—反馈控制系统设计2. 设计任务如图所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中通过变频器对下水箱液位施加干扰，支路二则设置调节阀为保持下水箱液位恒定。

试设计前馈—反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。

2图1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求设上、下水箱系统均以进水量为输入、水箱水位高度为输出，且均可用一阶惯性环节近似，其中上水箱系统的稳态增益为2，惯性时间常数为10；下水箱系统稳态增益为1，惯性时间常数为学号后两位（T=84）。

两水箱串联工作。

1）当只有第二支路向上水箱注水时，试对该双容水箱液位系统的动态特性进行仿真，并画出相应的单位阶跃响应曲线。

若用一阶惯性环节对该双容对象加以近似，试用作图法确定相应的模型参数，并比较新建模型与原模型的单位阶跃响应。

2）当第二支路投运10s后，第一支路由变频器控制向上水箱注水施加干扰，干扰量位均值为0、方差为0.01的白噪声，试对该双容水箱液位系统在此种情况下的动态过程进行仿真；3）针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；4） 针对该受扰的液位系统设计前馈—反馈控制，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。

二、双容水箱系统模型的建立通过机理建模可以得知多容水箱的传递函数为我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法，得到各个水箱的过程时间常数错误！未找到引用源。

及时延错误！未找到引用源。

，再由求得错误！未找到引用源。

、错误！未找到引用源。

即可。

对于本实验中的双容水箱系统，由于双容系统为二阶系统，系统相关参数已给出， K 0=2，T 1=10，K 1=1，T 2=84，,Ƭ=1由此，可知双容水箱系统的闭环传函为：2)184)(110(2)(+++=S S S G 三、双容水箱系统的SIMULINK 仿真3.1 双容水箱系统的仿真分析上面讨论了系统的建模方法并实际测得了水箱液位控制的传递函数。

在设计控制器之前，先要对系统进行MATLAB 仿真，得到较平滑精确的曲线，对其进行稳定性分析，进而明确设计的方向。

在此基础上，还要分析系统的动态、稳态性能，从而明确所设计控制器期望达到的控制质量。

以典型的多阶系统——二阶系统为例进行分析。

上面，已经求得双容水箱液位控制系统的开环传递函数为：)184)(110(2)()(.)()()(2212++==S S S Q S H S Q S Q S GSIMULINK 仿真，系统结构框图如下：其阶跃响应曲线如图3.2所示。

图3.2双容水箱液位开环响应曲线由上图看出开环系统到达稳态的时间为400s ，不具备调节能力3.2 采用一阶惯性环节对双容系统加以近似由作图法知：K=2, =20, T=85, 近似后的系统模型为1852)(20+*=-S S G se 近似后的一阶系统仿真框图如下：近似后的一阶系统响应曲线如下：与原模型的响应曲线对比可知，响应曲线很接近（横轴比例不同，视图有差异），在起始阶段延迟稍大。

3.3 闭环系统仿真开环系统不具备调节能力，需引入反馈，该二阶系统的闭环传递函数为：2)184)(110(2)()()(12+++==ΦS S S Q S H S闭环系统SIMULINK 仿真框图如下：闭环系统单位阶跃响应曲线如图3.3所示图3.3双容水箱液位闭环响应曲线从图上标示可以看到该系统稳态特性和动态特性的相关参数：超调量α％=0 无超调调节时间Ts=100s 调节时间仍然较长稳态值为0.67 余差较大从以上参数不难看出系统存在余差，且余差较大，不符合系统要求。

另外，系统的调节时间比较长，这在后续的设计中是需要改进的。

尽可能做到：系统无静差，严格跟踪输入量；调节时间尽可能缩短；系统的超调量小。

3.4 加入干扰的双容水箱闭环系统仿真分析加入干扰的双容水箱闭环系统仿真框图如下：加入干扰的闭环控制系统SIMULINK仿真，其阶跃响应曲线如下：由图像可知，引入白噪声等待系统达到稳态以后有明显的波动，调节时间较长，且仍有余差存在，系统的稳定性变差，不能满足系统设计的要求，所以需要加入PID控制器来进行进一步的控制调节。

四、PID控制算法的参数整定4.1 PID控制算法简介在PID控制算法中，控制作用由比例、积分、微分3种基本控制环节组成。

这3种控制作用的特点如下：1. 比例控制作用：系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。

缺点是对于具有自衡能力的被控对象存在静差。

加大Kp可减小静差，但Kp过大，会导致系统的超调增大，使系统的动态性能变差。

2. 积分控制作用对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。

不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。

3. 微分控制作用的特点通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。

缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。

4.1 PID参数的整定方法根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。

调节器参数整定的方法很多，但总体说来可以归结成为两大类：一是通过理论计算进行整定；二是工程整定方法。

理论计算整定方法是依据系统的数学模型，采用控制理论的根轨迹法、频率特性法等，经过理论计算确定调解器的参数值，但这种方法过分依赖数学模型，计算繁琐，且得到的计算数据未必可以直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

故理论计算整定方法只是提供理论指导，工程中很少应用。

工程整定方法依靠工程经验，直接在实验过程中进行整定，且方法简单、实用。

4.2 PID参数整定（4:1法）工程整定方法主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。

这里采用衰减曲线法（4:1）进行整定。

PID调解器的动作规律为或写成式中，错误！未找到引用源。

为比例带，错误！未找到引用源。

为积分时间常数，错误！未找到引用源。

为微分时间常数。

首先，先置积分时间错误！未找到引用源。

，微分时间错误！未找到引用源。

，比例带错误！未找到引用源。

置较大数值，即将控制器设置为纯比例环节投入运行。

然后，待系统稳定后，加入阶跃输入信号，观察系统响应。

若系统响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之增大比例带。

如此反复直到出现衰减比为4：1的振荡过程，记下此时的错误！未找到引用源。

（设为错误！未找到引用源。

）以及衰减振荡周期（第一个波峰与第二个波峰之间的时间差）错误！未找到引用源。

的值。

最后按，，错误！未找到引用源。

整定。

（查表）按上述的方法投入运行，当Kp=10时，得到衰减比4：1的阶跃响应曲线如图4.2所示。

图4.2衰减比4:1的阶跃响应曲线（未加入白噪声）从图上读出衰减振荡周期：Ts=62-22=40s，进而得到整定参数为：=0.8/10=1/12.5;则Kp=12.5Ti=0.3Ts=12STd=0.1Ts=4S则在系统仿真中PID调节器的参数设置为：P=12.5，I=1/12.5=0.08，D=4；引入PID调节器后，按4:1法整定参数得到的系统阶跃响应曲线如下图：图4.6 单回路Matlab仿真阶跃响应曲线波形图观察以上曲线可以初步看出，经过PID参数整定后，系统的调节时间由100s缩短到50s，系统的余差基本消除，系统的性能有了很大的改善。

现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下：图4.7有干扰单回路Matlab仿真框图阶跃响应曲线如下：（参数保持为：Kp=12.5，Ti=12，TD=4）图4.8有干扰单回路阶跃响应Matlab仿真曲线观察以上曲线，并与无干扰时的系统响应曲线比较可知，系统稳定性下降较大，在干扰作用时很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控制系统在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能，考虑使用前馈—反馈控制。

5.1双容水箱前馈—反馈控制系统的仿真分析基于上面章节的分析，运用Matlab的仿真功能对双容水箱前馈反馈控制系统进行整体的仿真分析。

图4.9前馈反馈控制系统的原理前馈—反馈控制方案实施图如下：Array前馈—反馈控制系统的matlab仿真框图如下:图4.10前馈反馈控制系统的整体仿真框图按照上面章节已经构建好的数学模型和已经整定好的各种参数，并与之对应的设置于各个模块单元上，检查连接好后运行系统，进行仿真。

并且不断调节改变前馈通道中的积分时间参数和微分时间参数。

直至得到的仿真曲线效果达到设计所需的要求。

图4.11最终调整完成后的仿真曲线由仿真曲线可知，采用前馈—反馈控制方案可以有效抑制干扰。

最终系统的超调小，无余差，且调节时间大大缩短，在30s左右。

六、设计心得通过本次课程设计我学会了过控系统模型的建立、simulink仿真的应用、PID控制算法的作用及其实现，特别是学会了运用4:1法进行PID参数的整定；初步掌握了前馈—反馈系统的设计与实现加深了前馈—反馈相比于反馈控制的优势的认识。

simulink仿真是一个不错的实践平台，有助于我们加深对理论知识的理解及其初步运用。