過程控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　學(xué)習(xí)是一個(gè)理論和實(shí)踐相結(jié)合的過程，經(jīng)過對過程控制工程一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們基本掌握了過程建模的方法、反饋控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)和分程控制系統(tǒng)；接觸了多回路控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、smith預(yù)估控制系統(tǒng)、內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)，以及過程

2、監(jiān)督控制、間歇控制、傳熱設(shè)備的控制、精餾塔的控制、計(jì)算機(jī)綜合集成控制等。在學(xué)習(xí)了這些理論知識(shí)的同時(shí)，我們做了8次實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)理論的同時(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，達(dá)到融會(huì)貫通的目的。但是，課程實(shí)驗(yàn)都是針對課程某個(gè)部分的，工作量較小，所以在整個(gè)課程學(xué)習(xí)結(jié)束之后，進(jìn)行一次課程設(shè)計(jì)，做一個(gè)較大較全面的系統(tǒng)，對整個(gè)課程知識(shí)做一個(gè)全面的復(fù)習(xí)，很有必要。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)及要求：</b></p

3、><p>　　某隧道窯爐系統(tǒng)，考慮將燃燒室溫度作為副變量，燒成溫度作為主變量，主、副對象的傳遞函數(shù)分別為： </p><p><b>　　，</b></p><p>　　試分別采用單回路控制和串級(jí)控制設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)，具體要求如下：</p><p>　　分別進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)，包括調(diào)節(jié)閥的選擇、控制器參數(shù)整定，給出相應(yīng)的閉環(huán)系

4、統(tǒng)原理圖；</p><p>　　進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別給出系統(tǒng)的跟蹤性能和抗干擾性能（包括一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)）；</p><p>　　說明不同控制方案對系統(tǒng)的影響。</p><p>　　采用MATLAB仿真,需要做出以下結(jié)果：</p><p><b>　　超調(diào)量</b></p><p><b&g

5、t;　　峰值時(shí)間</b></p><p><b>　　過渡過程時(shí)間</b></p><p><b>　　余差</b></p><p><b>　　第一個(gè)波峰值</b></p><p><b>　　第二個(gè)波峰值</b></p>&l

6、t;p><b>　　衰減比</b></p><p><b>　　衰減率</b></p><p><b>　　振蕩頻率</b></p><p>　　全部P、I、D的參數(shù)</p><p><b>　　PID的模型</b></p><p

7、><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p><p><b>　　控制方案設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　單回路控制系統(tǒng)：</b></p><p>　　單回路控制系統(tǒng)的原理圖如圖所示</p><p>　　對于單回路的控制系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)無差溫度控制，且對象為大容量對象

8、，因此采用PID控制器，利用臨界比例度法進(jìn)行控制器的整定。</p><p>　　由于是窯爐系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，為了避免溫度無限制升高，燃料在有故障時(shí)不能進(jìn)入，所以從工藝安全角度出發(fā)，控制閥選擇氣開型。</p><p>　　用Simulink建立仿真模型如下：</p><p>　　用臨界比例度法進(jìn)行參數(shù)，當(dāng)切除積分和微分作用時(shí)，當(dāng)比例系數(shù)為0.0804時(shí)，可獲得臨

9、界情況下的等幅振蕩，圖如下：</p><p>　　此時(shí)KCmax=0.0804，Pu=18s.臨界比例度法參數(shù)整定規(guī)律如下：</p><p>　　計(jì)算結(jié)果，比例系數(shù)為0.3618，積分系數(shù)為9</p><p>　　經(jīng)調(diào)試，取比例系數(shù)0.032，積分系數(shù)10，微分系數(shù)為0，系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的快速性和穩(wěn)定性</p><p>　　顯然，計(jì)算的結(jié)果與實(shí)

10、際調(diào)試的參數(shù)存在差異，其原因是以上公式是針對通用的對象的，針對具體的對象，其容量、滯后等參量不同，所以在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，必須進(jìn)行微調(diào)，才能得到滿意的參數(shù)。</p><p>　　采用這套PID參數(shù)時(shí)，一次擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線如下：</p><p>　　采用這套PID參數(shù)時(shí)，二次擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線如下：</p><p><b>　　串級(jí)控制系統(tǒng)：</

11、b></p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)的原理圖如下：</p><p>　　對于串級(jí)控制系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)無差溫度控制，主控制器采用PID控制器，副控制器采用PI控制器，利用臨界比例度法進(jìn)行控制器的整定。</p><p>　　由于是窯爐系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，為了避免溫度無限制升高，燃料在有故障時(shí)不能進(jìn)入，所以從工藝安全角度出發(fā)，主、副控制閥都選擇氣開型。</

12、p><p>　　用Simulink建立仿真模型如下：</p><p>　　經(jīng)調(diào)試，副控制器取取比例系數(shù)1，積分系數(shù)0，主控制器取取比例系數(shù)0.042，積分系數(shù)2，微分系數(shù)為0，系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的快速性和穩(wěn)定性</p><p>　　采用這套PID參數(shù)時(shí)，一次擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線如下：</p><p>　　采用這套PID參數(shù)時(shí)，二次擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線

13、如下：</p><p><b>　　控制過程參數(shù)分析：</b></p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算：</b></p><p>　　Max（y）命令，可以讓系統(tǒng)自己找出最大值，即峰值，用最大值減去穩(wěn)定值（或者是給定值），本系統(tǒng)仿真中全部用階躍信號(hào)，所以應(yīng)該是1，再乘以分度，便可以算出超調(diào)量。</p><

14、p>　　δ=（max（y）-1）×100%</p><p><b>　　抗擾性能對比：</b></p><p>　　為了簡單起見，直接用以下模型進(jìn)行對比，在加擾動(dòng)時(shí)，可以直接觀察單閉環(huán)和串級(jí)的抗擾能力，并且在一個(gè)圖中可以直觀得進(jìn)行對比：</p><p>　　加一次擾動(dòng)，對比曲線如下：</p><p>　　

15、加二次擾動(dòng)，對比曲線如下：</p><p>　　因?yàn)楸豢貙ο鬄榇笕萘繉ο螅羰褂脝位芈稰ID控制，雖然可以達(dá)到期望的效果，但是窯爐裝置為大容量對象，對于擾動(dòng)頻繁的干擾和大幅度的干擾調(diào)節(jié)不及時(shí)，容易造成事故，所以使用串級(jí)控制系統(tǒng)，控制速度相對單回路系統(tǒng)有所提高，調(diào)節(jié)時(shí)間相對減小，而且選擇串級(jí)控制系統(tǒng)可減小干擾對整個(gè)系統(tǒng)的影響程度，并且與單回路相比系統(tǒng)的工作效率要更高。選擇產(chǎn)品溫度為副控回路的檢測對象，而選擇爐內(nèi)的溫

16、度為主控回路的檢測對象，因?yàn)楦笨鼗芈纺茉鰪?qiáng)系統(tǒng)的快速性，所以選擇變化最快的溫度量作為其檢測量。</p><p>　　從整體上看，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)隨動(dòng)的副回路，因?yàn)榇?jí)系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　1.有效地克服二次擾動(dòng)。其實(shí)對于副回路前向通道上的擾動(dòng)，串級(jí)控制可以有效抑制，而對于副回路反饋通道和副回路之外的擾動(dòng)，串級(jí)的抑制能力跟單回路控制系統(tǒng)差不多。</p&

17、gt;<p>　　2.改善了對象的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　3.具有一定的自適應(yīng)能力。</p><p>　　因此，對于控制要求較高的系統(tǒng)或時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)中，采用串級(jí)系統(tǒng)能達(dá)到更好的控制效果。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)：</b></p><p>　　首先，我想說，對于Matlab/Sim

18、ulink仿真的題目，難度不是很高，相比糧油系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)，仿真題目簡單了很多。</p><p>　　一開始，我們小組選擇了大米制糖漿系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，并且已經(jīng)將圖修改好，在這個(gè)過程中，我們特地從網(wǎng)上下載了過程控制工程設(shè)計(jì)一書的PDF文件，但是由于時(shí)間問題，沒有認(rèn)真研讀，只是作為查找一些資料的參考。在這個(gè)題目的設(shè)計(jì)進(jìn)程中，我們遇到的第一個(gè)障礙是CIC，當(dāng)初我們?yōu)榱说谝粋€(gè)字母C的含義查找了很多資料，當(dāng)我們從網(wǎng)

19、上下載了過程控制工程設(shè)計(jì)一書之后的晚上，我們也收到了老師給的資料，從過程控制工程設(shè)計(jì)和過程控制工程課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書里，我們查到了CIC的含義：電導(dǎo)率顯示控制。之后我們遇到了第二個(gè)障礙，是PLC程序的編寫，以前的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)過程中，都是編寫數(shù)字量的PLC程序，而這里，我們遇到了模擬量的PLC程序，我們在圖書館和網(wǎng)上尋找資料的同時(shí)，我們收到了老師新給的仿真題目，鑒于時(shí)間的問題，我們組最終放棄了原來的系統(tǒng)，選擇了各自做仿真。但是通過課程設(shè)計(jì)開始的

20、選題和前期系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓我們認(rèn)識(shí)到一個(gè)嚴(yán)重的問題，簡單的說，就是對PLC的學(xué)習(xí)，我們學(xué)的太簡單，我們只學(xué)了數(shù)字量PLC程序的編寫方法，并且學(xué)得不太透徹，對于模擬量PLC程序，我們一無所知。對于我們的大學(xué)畢業(yè)，我們又找出了新的欠缺和要學(xué)習(xí)的東西。</p><p>　　之后，在仿真的過程中，我也遇到了很多問題，對于模型的搭建來說，無論單回路還是串級(jí)，都比較簡單，問題是PID參數(shù)整定。一開始我以為用簡單的經(jīng)驗(yàn)法就可以搞

21、定，但是在調(diào)了一天之后，我發(fā)現(xiàn)按經(jīng)驗(yàn)法用溫度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，無論如何，最終輸出結(jié)果都是發(fā)散的。所以我換用臨界比例度法進(jìn)行整定，雖然計(jì)算很簡單，但是我又發(fā)現(xiàn)了自己課程知識(shí)上的欠缺，我沒搞明白比例度、比例系數(shù)、比例增益三個(gè)量之間的關(guān)系，所以在計(jì)算過程中發(fā)生了混亂。在解決這個(gè)問題之后，我便順理得做出了結(jié)果。</p><p>　　第一次去交論文的時(shí)候，在老師的指導(dǎo)下，我發(fā)現(xiàn)自己犯了嚴(yán)重的錯(cuò)誤，主要是對各個(gè)課程知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)

22、系沒找清楚，我用著PID控制器，做出了達(dá)林算法的結(jié)果。我本以為，系統(tǒng)在階躍輸入時(shí)，直接上升，沒有超調(diào)，直接進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行是最好的狀態(tài)。但是老師告訴我是錯(cuò)誤的，對于達(dá)林算法，確實(shí)是最好的狀態(tài)，但是對于PID算法，衰減比達(dá)到4:1才是最好的狀態(tài)。所以回來之后我又重新調(diào)整了PID參數(shù)，做出了符合要求的結(jié)果。</p><p>　　總之，這次課程設(shè)計(jì)讓我體會(huì)最深的東西就是找到了學(xué)習(xí)中存在的很多問題，有些在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)解決，