過程控制課程設計--雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　電氣工程與自動化 專業(yè) 10 年級 1班 陳志高 </p><p><b>　　設計題目</b></p><p>　　雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)</p><p><b>　　主要內容</b>&

2、lt;/p><p>　　熟悉THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)實驗裝置，獲取電動閥支路的流量和變頻器－磁力泵支路的流量曲線，利用實驗建模法求出它們的數學模型。根據串級控制，選擇合適的雙回路調節(jié)器控制規(guī)律，并在Matlab上進行仿真。最終在過程控制系統(tǒng)實驗裝置平臺上完成實際系統(tǒng)的調試，并說明兩種方法的所得結果的差別。</p><p><b>　　具體要求</b></p>

3、;<p>　　從組成、工作原理上對工業(yè)型傳感器、執(zhí)行機構有一深刻的了解和認識。</p><p>　　分析控制系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，從實驗中獲得各環(huán)節(jié)的特性曲線，建立被控對象的數學模型。</p><p>　　根據其數學模型，選擇被控規(guī)律和整定調節(jié)器參數。</p><p>　　在Matlab上進行仿真，調節(jié)控制器參數，獲得最佳控制效果。</p>

4、;<p>　　了解和掌握自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方法，并在THJ-2型高級過程控制系統(tǒng)平臺上完成本控制系統(tǒng)線路連接和參數調試，得到最佳控制效果。</p><p>　　分析仿真結果與實際系統(tǒng)調試結果的差異，鞏固所學的知識。</p><p><b>　　進度安排</b></p><p><b>　　完成后應上交的材料</

5、b></p><p><b>　　課程設計報告。</b></p><p><b>　　總評成績</b></p><p>　　指導教師 簽名日期 年 月 日</p><p>　　系 主 任 審核日期 年 月 日</p&

6、gt;<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設計以THJ-2型過程控制實驗裝置為基礎，目的是設計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設計中充分利用自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術和自動控制技術，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數。其次，根據被控對象模型和被控過程特性設計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術對控

7、制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數據采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數字控制器，設計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結果分析。實驗結果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了對過程參數的無穩(wěn)態(tài)誤差控制，具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。</p><p>　　關鍵字：雙容液位 串級 PID控制 電動閥 磁力泵 計算機過程控制系統(tǒng)</p>

8、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一．設計任務分析……………………………………………………………………1</p><p>　　二．控制系統(tǒng)總體方案的設計………………………………………………………1</p><p>　　2.1設計目的……………………………………………………………………1</p>&

9、lt;p>　　2.2設計要求……………………………………………………………………1</p><p>　　2.3雙容液位控制系統(tǒng)的結構…………………………………………………2</p><p>　　2.4雙容液位控制系統(tǒng)的特點 ………………………………………………3</p><p>　　三．雙回路參數整定…………………………………………………………………3<

10、/p><p>　　3.1被控對象特性測試方法 …………………………………………………4</p><p>　　3.2電動閥傳遞函數測試 ……………………………………………………5</p><p>　　3.3用MATLAB進行仿真………………………………………………………6</p><p>　　四．系統(tǒng)參數調節(jié) …………………………………………………

11、……………… 8</p><p>　　4.1比例系數的整定………………………………………………………… 8</p><p>　　4.2系統(tǒng)參數的整定……………………………………………………………9</p><p>　　4.3 PID串級控制系統(tǒng)設計……………………………………………………9</p><p>　　五．設備使用說明 …………………

12、………………………………………………11 </p><p>　　5.1系統(tǒng)主要組成 ……………………………………………………………11</p><p>　　5.2操作前準備………………………………………………………………11</p><p>　　5.3控制面板接線說明………………………………………………………11</p><p>　　六．結果

13、與分析…………………………………………………………………… 12</p><p>　　6.1給定階躍響應曲線 …………………………………………………… 12</p><p>　　七. 心得體會 ………………………………………………………………………16</p><p>　　八．參考文獻 ………………………………………………………………………17</p>

14、<p>　　附錄：實驗總圖 ……………………………………………………………………18 </p><p><b>　　一．設計任務分析</b></p><p>　　在工業(yè)實際生產中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解

15、容器中的原料﹑半成品或成品的數量，以便調節(jié)容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產品的質量和數量。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，會造成生產中對液位控制的不合理，導致原料的浪費﹑產品的不合格，甚至造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中有著重要的實際意義。 </p><p>　　在液位串級控制系統(tǒng)的設計中將以T

16、HJ-2高級過程控制實驗系統(tǒng)為基礎，展開設計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。設備上包括的傳感器及執(zhí)行機構如下（本次課程設計中的）：上、中、下三個水箱的壓力變送器，電磁閥，電動調節(jié)閥，變頻磁力泵，差壓變送器，壓力表，渦輪流量計等。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用智能調節(jié)儀表﹑數據采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 </p><p>　　在設計控制系

17、統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對它們的主要內容進行說明。</p><p>　　二．控制系統(tǒng)總體方案的設計</p><p><b>　　2.1設計目的</b></p><p>　　在本課程設計中，要求學生以現(xiàn)有實驗裝置為基礎，進行控制系統(tǒng)的設計，設定合適的PID參數，以達到要求的控制系統(tǒng)性能指標，并分析PID的三個

18、調整參數對控制系統(tǒng)的影響。綜合考慮抗干擾問題、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)偏差等，對所設計的控制系統(tǒng)進行分析等。通過一次完整的生產過程控制系統(tǒng)的設計，使學生在進一步加深理解和掌握《過程控制系統(tǒng)》課程中所學內容的基礎之上，著重訓練學生將《過程檢測與控制儀表》、《自動控制原理》、《微機控制技術》和《過程工程基礎》等課程中所學到知識進行綜合應用。鍛煉學生的綜合知識應用能力，讓學生了解一般工程系統(tǒng)的設計方法、步驟，系統(tǒng)的集成和投運。

19、</p><p><b>　　2.2設計要求</b></p><p>　　按課程設計指導書提供的課題，根據給出的設計任務，自己設計系統(tǒng)結構，分析系統(tǒng)的特點和系統(tǒng)特性，按“可選”的被控對象設計相應的控制系統(tǒng)，并在實驗室連接系統(tǒng)部件、構造硬件系統(tǒng)?？梢宰约禾€、連線，并連好對象、控制器、計算機。通過用控制器、監(jiān)控計算機和實驗對象的聯(lián)機調試、執(zhí)行、觀察結果，達到預期應用功能

20、和控制目的，比較不同方案的應用效果，完整的設計任務書。</p><p>　　能夠查閱工藝過程相關資料。</p><p>　　依據工藝要求分析、比較、設計方案（對其合理性、工作原理及工作過程做出說明）。</p><p>　　被控對象以及儀器儀表的描述。</p><p>　　控制方案的選擇及其論述，控制系統(tǒng)方框圖及其說明。</p>

21、<p>　　完成對象的特性曲線的測試，建立對象的數學模型。</p><p>　　在Matlab上進行仿真，調節(jié)控制器參數，獲得最佳控制效果，記錄調節(jié)器參數值以及仿真結果曲線。</p><p>　　畫出控制系統(tǒng)連線示意圖及說明，記錄最佳控制結果的調節(jié)器參數以及結果曲線。</p><p>　　仿真結果與實際操作調試結果的比較說明。</p><

22、;p><b>　　設計體會。</b></p><p>　　撰寫規(guī)范化的說明書一份。</p><p>　　2.3雙容液位控制系統(tǒng)的結構</p><p>　　雙容液位過程如下所示：</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　兩容器的流出閥均為手動閥門

23、，流量Q1只與容器1的液位h1有關，與容器2的液位h2無關。容器2的液位也不會影響容器1的液位。 </p><p>　　由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有：</p><p><b>　　其對應的拉式變化為</b></p><p>　　Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-1）</p><

24、p>　　Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-2）</p><p>　　令容器1、容器2相應的閥門液阻分別為和,其中</p><p>　　Q(s)= （2-3）</p><p>　　Q(s)= （2-

25、4）</p><p>　　將（2-3）和（2-4）帶入（2-1）和（2-2），可得</p><p>　　= （2-5）</p><p>　　令T=AR,T=AR,可得</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　

26、可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數相當于兩個容器分別獨立時的傳遞函數相乘，但過程增益為兩個獨立傳遞函數相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　由上述分析可知，該過程傳遞函數為二階慣性環(huán)節(jié)，相當于兩個具有

27、穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個具有自平衡能力的過程。其中時間常數的大小決定了系統(tǒng)反應的快慢，時間常數越小，系統(tǒng)對輸入的反應越快，反之，若時間常數較大（即容器面積較大），則反應較慢。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時間常數 ，故總體反應要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。</p><p>　　2.4雙容液位控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　雙容水箱作

28、為工業(yè)過程控制中常見的被控對象,其液位控制具有大慣性滯后、系統(tǒng)參數時變的特點，但在擾動作用下，其平衡位置被破壞后，不需要操作人員干預，能夠依靠其自身重新恢復平衡。</p><p><b>　　三．回路參數整定</b></p><p>　　過程的數學模型是設計過程控制系統(tǒng)，確定控制方案，分析質量指標、整定調節(jié)器參數等的重要依據。建立過程數學模型的基本方法，一般來說有機理

29、分析法和試驗法兩種。</p><p>　　雙容對象兩個慣性環(huán)節(jié)的時間常數可按下述方法來確定。</p><p>　　在圖3-1所示的階躍響應曲線上求?。?lt;/p><p>　　h2(t)=|t=t1=0.4h2(∞)時曲線上的點對應的時間為97s</p><p>　　h2(t)=|t=t2=0.8h2(∞)時曲線上的點對應的時間為207s<

30、/p><p>　　圖3-1雙容水箱液位的階躍響應曲線</p><p>　　然后，利用下面的近似公式計算</p><p>　　T1+T2=(t1+t2)/2.16</p><p>　　T1*T2/( T1+T2)=1.74*t1/t2-0.55</p><p>　　0.32<t1/t2<0.46</p>

31、;<p>　　機理分析法雖然具有很大的普遍性，但是，許多工業(yè)過程其內部機理較復雜，所以對這些過程進行建模，單獨采用其中一種方法，想要比較精確的建立其模型，是比較困難的。所以，在實際應用時，往往采用兩種方法相結合來求得對象的數學模型。</p><p>　　通常對被控對象的組成部分進行機理分析，分析對象是由哪些部分串聯(lián)或并聯(lián)組成最終可以得出對象模型的結構，然后根據試驗建模法再求得模型結構中的參數。<

32、;/p><p>　　試驗法在實際的應用中的關鍵的一個環(huán)節(jié)是過程響應曲線的獲得，其中獲得的方法有階躍響應曲線法和矩形脈沖響應曲線法兩種。</p><p>　　3.1被控對象特性測試方法</p><p>　　被控對象數學模型的建立通常用下列二種方法。一種是分析法，即根據過程的機理，物料或能量平衡關系求得它的數學模型；另一種是用實驗的方法確定。我們采用的是第二種方法，被控對象

33、為單容水箱對典型輸入信號的響應曲線來確定它的數學模型。</p><p>　　3.2電動閥傳遞函數測試</p><p>　　采用智能型電動調節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調節(jié)。電動調節(jié)閥型號為：QSVP-16K。具有精度高、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化、操作方便等優(yōu)點，控制信號為4～20mA DC或1～5V DC，輸出4～20mA DC的閥位信號，使用和校正非常方便。</p>&

34、lt;p>　　（1）在實驗設備上，打開閥門F1-1、F1-2、F1-7全開,將F1-10、F1-11開到適當開度，調節(jié)下水箱閘板開度，其余閥門關閉，構成雙容的單回路液位控制。檢查所有的測量原件和接線及其他原件均無誤后，再進行下面的操作。</p><p>　?。?）開啟電動調節(jié)閥到一定開度， 防止泵出口壓力過高。</p><p>　?。?）啟動計算機組態(tài)軟件，進入實驗系統(tǒng)選擇“雙容水箱

35、液位單回路控制實驗”。</p><p>　?。?）調節(jié)閥特性測試：將調節(jié)器的調節(jié)方式設置為手動，按照下表將調節(jié)閥至于不同的開度，記錄在其不同開度下的輸入流量的變化</p><p><b>　　實驗數據記錄如下：</b></p><p>　　根據記錄的數據作出特性曲線如下：</p><p>　　從特性曲線上可以得出：該調節(jié)

36、閥的特性是電開特性</p><p>　　y= -0.004037*x^2 + 0.7055*x + -6.58（Y是流量，X是閥門開度）</p><p>　　3.3用MATLAB進行仿真</p><p><b>　　clear </b></p><p>　　[num,txt,raw]=xlsread('C:\Us

37、ers\Jaclisy\Desktop\final.xlsx');</p><p>　　plot(num(:,1),num(:,2))</p><p><b>　　hold on;</b></p><p>　　plot(97,2.05,'.r','MarkerSize',20)</p>&l

38、t;p>　　plot(270,4.1,'.r','MarkerSize',20)</p><p>　　plot(0:97,2.05')</p><p>　　line([97,97],[0 2.05],'linestyle',':','color','r');</p>

39、<p>　　plot(0:270,4.1)</p><p>　　line([270,270],[0 4.1],'linestyle',':','color','r');</p><p>　　text(0.2,2.2,'0.4h(t)')</p><p>　　text(0.2,4

40、.3,'0.8h(t)')</p><p>　　text(100,0.1,'97')</p><p>　　text(271,0.1,'207')</p><p><b>　　%hold on;</b></p><p>　　K=5.13/0.1;</p><

41、;p>　　syms T1 T2</p><p>　　[T1,T2]=solve('T1*T2/(T1+T2)^2=0.0751','T1+T2=169.9074')</p><p>　　T1 =13.897</p><p>　　T2 = 156.01</p><p><b>　　G =</

42、b></p><p><b>　　51.3</b></p><p>　　exp(-5*s) * ----------------------</p><p>　　2168 s^2 + 169.9 s + 1</p><p>　　系統(tǒng)傳遞函數階躍曲線</p><p>　　四．PID控制系統(tǒng)參數

43、調節(jié)</p><p>　　4.1 PID控制原理 </p><p>　　目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術的廣泛應用，PID控制技術日趨成熟。先進的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應用。現(xiàn)在有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的計算機系統(tǒng)等。</p>

44、<p>　　在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。</p><p>　　圖4.1.1 PID控制基本原理圖</p><p>　　PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據給定值r(t)與實際值y(t)構成控制偏差

45、：。</p><p><b>　　PID控制規(guī)律為：</b></p><p>　　或以傳遞函數形式表示：</p><p>　　式中，KP:比例系數 TI:積分時間常數 TD:微分時間常數 </p><p>　　PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：</p><p>　?。?）比例控制（P）：比例控

46、制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　?。?）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積

47、分項會越大。</p><p>　　這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系

48、統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。</p><p>　　所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣具有比例+微分的控制器，就能夠提

49、前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。</p><p>　　PID控制器的參數整定是控制系統(tǒng)設計的重要內容，應根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。</p><p>　　4.2 PID控制系統(tǒng)參數的整定</p><p&g

50、t;　　PID控制器參數整定的方法分為兩大類：</p><p>　　一是理論計算整定法。它主要是依據系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。由于實驗測定的過程數學模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調整和修改。</p><p>　　二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實際

51、中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。</p><p>　　4.3 PID串級控制系統(tǒng)設計</p><p>　　設計建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調節(jié)器和控制對象。主回

52、路中的調節(jié)器稱主調節(jié)器，控制主對象。副回路中的調節(jié)器稱副調節(jié)器，控制副對象。主調節(jié)器有自己獨立的設定值R，他的輸出m1作為副調節(jié)器的給定值，副調節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數c2.</p><p>　　通過針對雙容水箱液位被控過程設計串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應速度。當有擾動f1(t)作用于副對象時，副調節(jié)器能

53、在擾動影響主控參數之前動作，及時克服進入副回路的各種二次擾動，當擾動f2(t)作用于主對象時，由于副</p><p>　　回路的存在也應使系統(tǒng)的響應加快，使主回路控制作用加強。</p><p>　　圖4.3.1串級控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　(1) 被控參數的選擇</p><p>　　應選擇被控過程中能直接反映生產過程能夠中的產品產量

54、和質量，又易于測量的參數。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數，因為下水箱的液位是整個控制作用的關鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調節(jié)欠妥當，會造成整個系統(tǒng)控制設計的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術和設備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等。</p><p>　　(2) 控制參數的選擇</p><p>　　從雙容水箱系統(tǒng)來

55、看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經下水箱流出系統(tǒng)的流量。調節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當電動調節(jié)閥突然斷電關斷時，后一種控制方式會造成長流水，導致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數更合理一些。</p><p>　　(3) 主副回路設計</p><p>　　為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結構。副回路應對于包含在其內的二次擾動

56、以及非線性參數、較大負荷變化有很強的抑制能力與一定的自適應能力。主副回路時間常數之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。</p><p>　　(4) 控制器的選擇</p><p>　　根據雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數學模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了

57、實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結構，主調節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進行調節(jié)，副調節(jié)器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進行調節(jié)，并輔助主調節(jié)器對于系統(tǒng)進行控制，整個回路構成雙環(huán)負反饋系統(tǒng)。</p><p><b>　　五．設備使用說明</b></p><p>　　5.1系統(tǒng)主要組成 </p><p>　　“THJ-2型高

58、級過程控制系統(tǒng)實驗裝置”是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它集自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術，自動控制技術為一體的多功能實驗裝置。該系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數辨識，單回路控制，串級控制，前饋—反饋控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。</p><p>　　本實驗裝置由被控對象和控制儀表兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三（380V交流）磁力驅動泵、電動調節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪

59、流量計及手動調節(jié)閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三相磁力驅動泵（220V變頻）、渦輪流量計及手動調節(jié)閥組成。</p><p><b>　　5.2操作前準備</b></p><p>　　實驗前，要對被控對象及其控制系統(tǒng)所涉及的儀器儀表有清楚的認識。</p><p>　　先將儲水箱中貯足水量，電動調節(jié)閥可以通過閥F1-1、磁力泵、F1-2、F1-8

60、流至下水箱。變頻器—磁力泵支路可以通過閥F2-1、變頻器控制的磁力泵、閥F2-5流至下水箱。兩個支路的流量傳感器分別為FT1與FT2。</p><p>　　AI智能調節(jié)儀1設置參考：;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=15；diH=100;dil=0; 調節(jié)儀2：Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;</p><p>　　電動調節(jié)閥使用：電動閥上電后切不

61、可用手來旋轉黑色手輪，斷開控制信號后，閥位有保持功能，也不可旋轉手輪，只有在斷開AC220V后，才可使用手動，在一般情況下無須手動。</p><p>　　5.3控制面板接線說明</p><p>　　圖5-1 接線說明圖</p><p>　?、購婋姴糠郑喝嚯娫摧敵鰑、v、w 接到380v磁力泵的輸入u、v、w端；變頻器輸出端A、B、C接到220v磁力泵輸入A、B、C

62、端；單相Ⅰ的L、N并聯(lián)接到調節(jié)儀1和調節(jié)儀2的L、N端；單相Ⅱ的L、N端接到電動調節(jié)閥電源的L、N端；單相Ⅲ的L、N端接到比值器電源的L、N端；</p><p>　?、谌蹼姴糠郑弘妱娱y支路流量FT1信號并聯(lián)接到調節(jié)儀1的1、2輸入端和比值模塊電壓輸入1的+、-端，比值模塊的電壓輸出+、-端對應接到調節(jié)儀2的1、2端，F(xiàn)T2信號+、-端對應接到調節(jié)儀2的3、2輸入端；調節(jié)儀1的輸出7、5端對應接到電動調節(jié)閥控制信號

63、+、-端，調節(jié)儀2的輸出7、5端對應接到變頻器4～20mA控制信號輸入+、-端，變頻器STF端、SD端和RH端短接；24v電源輸出+、-端接到流量計電源輸入+、-端。</p><p><b>　　六．結果與分析</b></p><p>　　6.1給定階躍響應曲線</p><p>　　現(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數，觀察系統(tǒng)性能的變化，研

64、究各調節(jié)器的作用。</p><p>　　保持I、D參數為定值，改變P參數，階躍響應曲線如下：</p><p>　　參數：P=0.1 I=1500 D=0.01</p><p>　　圖6-1 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>　　參數：K1=0.2，Ti=16.8，Td=5.6</p><p>　

65、　圖6-2單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>　　比較不同P參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，隨著K的減小，最大動態(tài)偏差減小，余差增大，衰減率增大，振蕩頻率減小。</p><p>　　保持P、D參數為定值，改變I參數，階躍響應曲線如下：</p><p>　　參數：K1=12，T I=700，Td=5.6</p><p>　　

66、圖6-3單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>　　參數：K1=12，Ti=1，Td=1</p><p>　　圖6-4單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>　　比較不同I參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。</p><p>　　保持P、I參數為定值，改

67、變D參數，階躍響應曲線如下：</p><p>　　參數：K1=12，Ti=16.8，Td=2.6</p><p>　　圖6-5單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>　　參數：K1=12，Ti=16.8，Td=0.6</p><p>　　圖6-6單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>

68、;　　比較不同D參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，而且隨著D參數的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率減小。</p><p>　　經過多組驗證，最后得出，當參數：K1=0.1，Ti=1500， Td=0. 1時，系統(tǒng)比較完善，其仿真如下圖</p><p>　　圖6-7單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖</p><p>　　得出：調節(jié)時間t=9s，

69、超調量σ%=4%, 靜態(tài)誤差e=7.6</p><p>　　可見，穩(wěn)態(tài)誤差沒有達到要求。</p><p><b>　　七．心得體會</b></p><p>　　兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中我既鞏固了已學過的專業(yè)知識，又學到了許多新知識。通過理論和實踐相結合，使得本科大學期間所學到的各方面知識得以融會貫通。在體會實際工作困難的同時，也

70、深深的體會到實踐與理論的差距。設計中，不但需要去全面掌握理論知識，了解個系統(tǒng)的優(yōu)缺點，更重要的是要懂得如何去根據不同的情況選擇不同的控制系統(tǒng)。同時在設計過程中，我也發(fā)現(xiàn)很多自身的不足，實驗測試過程中遇到很多問題都無法獨立解決，希望以后的學習，可以逐步克服。</p><p><b>　　八．參考文獻</b></p><p>　　戴先中.過程控制工程.[M].北京：機械工