自动化仪表与过程控制课程大作业3

自动化仪表与过程控制课程大作业

1、（20分）如图所示热化工生产中的连续反应器示意图。

其工艺为：物料自顶部连续进入槽中，经反应产生

的热量由冷却夹套中的冷却水带走。为了保证产品

质量，必须严格控制反应温度θ1。

原来选择的控制方案如图所示，控制精度无法达到

预期要求。

（1）该系统是一个时间常数较大的系统，尤其是冷

却水的进水流量常常波动，导致反应器内部温度动

态偏差较大。试设计一个串级控制系统，提高控制

精度。（画出控制系统连接图和方框图）

（2）分析当冷却水的进水流量突然增大时，该系统是如何消除扰动、提高控制精度的。

2、（20分）（用MATLAB仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的

如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T和 ，并根据这些参数整定PI调节器的参数，用仿真结果验证之。

解：

（1）绘出输入/输出的关系曲线。

输入以下指令，得到阶跃响应曲线。

t=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100]。

h=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3]。

plot(t,h)。

xlabel('时间t(s)')。

ylabel('液位h(mm)')。

grid on。

hold on。

（2）在拐点处做切线，与稳态值h=6.3和时间轴都有交点。

（3）输入以下指令，取点

[x,y]=ginput(1)

[x1,y1]=ginput(1)

得到时间τ=5.1843；T=39.2857-5.1843=34 （4）对得到参数进行标注

gtext('τ=5.1843')

gtext(' T=34 ')

gtext('h=6.3')

（5）

求得：

根据柯恩-

求得：K p =0.09T I =13.09 使用matlab 中Simulik 进行仿真：

绘制系统仿真图

PID(s)

设置PI 参数

得到阶跃响应仿真曲线：

63

1

.03.6)0()(==?-∞=u h h K

从仿真图中可以看出超调较大，调整PI参数

得到最终的响应曲线：

可以看出，此时该曲线较为理想，因此将PI调节器参数整定为K p =0.07；K I =0.002。

3、（20分）某隧道窑系统，考虑将燃料室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数12,o o G G 分别为：11()(301)

o G s s =

+，

2

21()(101)(1)o G s s s =

++，其中有一个10s 的传输延迟，其传递函数为10()s

d G s

e -=。当延迟环节分别放在主回路和副回路时，设计串级控制主、副PID 调节器的参数，并绘制出整定后的阶跃响应曲线，分析二次扰动系统的影响。解：

当延迟环节在副回路时：

（1） 主回路开环，先整定副回路。

PID(s)

PID(s)

按单回路方法整定副控制器，不断的实验，当Kc2 =1.18时，控制曲线如下，从下图可知，此时衰减比约为4:1

（2） 主回路闭合，整定主回路。

PID(s)PID(s)

副控制的参数为Kc2=1.18，调节主控制器参数，当Kc1=2.0时，阶跃响应如下图所示：

（3）在主回路闭环的情况下重新整定副调节器参数，根据衰减曲线法取Kc1=2.2，Kc2=1.0 系统阶跃响应曲线如下图：

（4）反复实验，当Kc1=2.5，K I =0.09，Kc2=0.8时图形较为理想。

当延迟环节在主回路时：

（1） 主回路开环，先整定副回路。

PID(s)PID(s)

按单回路方法整定副控制器，不断的实验，当Kc2 =8时，控制曲线如下，从下图可知，此时衰减比约为

4:1。

（2） 主回路闭合，整定主回路。

PID(s)PID(s)

副控制的参数为Kc2=8，调节主控制器参数，当Kc1=2.8时，阶跃响应如下图所示：

（3） 在主回路闭环的情况下重新整定副调节器参数，根据衰减曲线法取Kc1=2.5，K I

=0.1，

Kc2=5系统阶跃响应曲线如下图：

（4） 反复实验，当Kc1=3.0，K I =0.1，Kc2=0.9时图形较为理想。

二次扰动影响燃烧室温度，于是副调节器立即发出校正信号，经过副回路的及时控制一般不影响烧成温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响烧成温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使烧成温度调回到给定值。串级控制系统与单回路控制系统的抗二次干扰能力之比为：)

()()()

()(21s W s W s W s Q s Q C C C D C

当都采用P Kc1=3，Kc2=5，Kc=3.6

Kc1 Kc2>>Kc

由上述分析可知，由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动的影响，提高了控制质量。

4、（15分）根据如图所示，当选择进水流量Q1为控制量时，设计水箱水位的单回路控制系统。

（1）要求画出系统的连接图和方框图；

（2）若进水阀为气动阀，选择其气开、气关的形式，并确定调节器的正、反作用方式。要求有分析过程。

Q2

5、(25分)温度流量解耦控制系统的设计与仿真 已知被控对象传递函数为：

111221221111

(),(),(),()10151141W s W s W s W s s s s s =

=-==++++，

调节器传递函数为

1122()1,()1

N s N s ==,采用对角阵解耦法来做。

1）确定解耦调节器的另外两个控制器传递函数1221(),()

N s N s

2）画出温度流量解耦控制系统的系统方框图

3）画出无解耦调节器的控制系统的系统方框图 4）用Matlab 的simulink 画出上述两个系统

5）选PID 调节器的参数使解耦控制系统的控制性能较好，并画出系统的单位阶跃响应曲线

6）观察无解耦控制器时控制系统的耦合现象和有解耦调节器时控制系统的无耦合现象，并说明原因。 解：1）

??

????=??????++++=????????????)(00)

()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(2211222212212122112122121211211211112221121122211211s W s W s N s W s N s W s N s W s N s W s N s W s N s W s N s W s N s W s N s N s N s N s W s W s W s W 所以 W 11（s ）N 12（s ）+ W 12（s ）N 22（s ）=0

W 21（s ）N 11（s ）+ W 22（s ）N 21（s ）=0 又因为

1122()1,()1

N s N s ==

所以 15110)(12++=

s s s N 1

1

4)(21++-

=s s s N 2）

3）

4）

有解耦控制控制系统：

PID(s)

PID(s)无解耦调节器的控制系统：

PID(s)

PID(s)

5）

Kp=300，Ki=30时系统阶跃响应曲线如下：

6）保持PID 调节器参数不变，去掉解耦调节器，系统阶跃响应曲线如下：

无解耦调节器时，由于系统通道的耦合作用，一个输入会对两个输出产生影响。

加上解耦调节器后，系统各回路间的耦合被解耦，一个回路的输入只影响该回路输出，而不会影响到其他回路。