畢業(yè)設計論文大改1古維維

1、流量控制系統(tǒng)的設計與仿真本科畢業(yè)設計題目流量控制系統(tǒng)的設計與仿真學生姓名古維維學號1007030122教學院系電氣信息學院專業(yè)年級自動化2010級指導教師任堰牛職稱講師單位西南石油大學電氣信息學院完成日期2013 年6月8日摘要為了控制水流量達到預期設定效果的目的，先利用SIMULINK進行仿真驗證控制方案的可行性，然后進行THI-2型高級過程控制裝置的相關(guān)實驗，獲取被控流量和設定流量的穩(wěn)定傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)，再利用組態(tài)軟件設計的人機界面進行驗證，最后得到預期控制效果的控制系統(tǒng)。設計的內(nèi)容分為兩部分：單流量控制系統(tǒng)和流量比值控制系統(tǒng)。采用力控組態(tài)軟件，matlab的simulink仿真部分。兩種

2、流量比值控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差別很大，單回路流量控制系統(tǒng)采用單閉環(huán)結(jié)構(gòu)，而比值控制系統(tǒng)需要進行方案驗證來決定是用單閉環(huán)還是雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞: 流量;過程控制;傳遞函數(shù);力控;Simulink3AbstractIn order to control the water flow is expected to achieve the purpose of setting effects , Feasibility first use SIMULINK for simulation control scheme, then type THI-2 Advanced Process Control devi

3、ce related experiments , get charged with traffic and the transfer function of a stable set flow transfer function , re-use HMI configuration software design for verification , and finally get the expected effect of the control system controls .Design is divided into two parts: single flow control s

4、ystem and flow ratio control system. Using force control configuration software , matlab simulink simulation section. single-loop flow control system uses a single-loop structure, and the ratio of the control system needs to be verified to determine program with single-loop or double-loop structure.

5、Keywords : flow ;process control ;transfer function;Simulink;Forcecontrol3目錄 1 緒論11.1 選題的意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 主要研究內(nèi)容22 設計軟件及設備簡介32.1 THJ-2型過程控制裝置簡介32.2 力控組態(tài)軟件簡介32.2 matlab與simulink編程軟件介紹53 流量控制系統(tǒng)設計方案83.1 總體設計框架83.2 流量控制系統(tǒng)的工作原理84 方案仿真驗證84.1 單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的simulink仿真方案94.2 傳遞函數(shù)的參數(shù)整定94.2.1 湊試法104.2.2 臨界比例度法10

6、4.2.3 阻尼振蕩法114.3 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的仿真方案124.4 雙閉環(huán)流量比值控制方案145 控制方案傳遞函數(shù)的獲取165.1 單回路流量控制系統(tǒng)實驗165.2 單流量控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取175.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實驗175.3.1 比值系數(shù)運算175.3.2 比值控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取186 流量控制系統(tǒng)設計196.1 單回路流量控制系統(tǒng)設計196.2 雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的設計247 結(jié)論與展望317.1結(jié)論317.2 展望31致謝32 參考文獻333流量控制系統(tǒng)的設計與仿真1 緒論1.1 選題的意義流量控制系統(tǒng)在生產(chǎn)工業(yè)和過程控制中有著極其重要的作用，設計一套好的流量控

7、制系統(tǒng)不僅能夠幫助企業(yè)更好的管理進水出水流量以進一步控制管理生產(chǎn)過程，還能節(jié)約水資源、幫助企業(yè)實現(xiàn)水的循環(huán)多次使用。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎(chǔ)。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應用廣泛。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴?，必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監(jiān)測；廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對廢液和污水進行處理，對排放量進行控制。于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。同時在科學試驗領(lǐng)域，需要大量的流量控制系統(tǒng)進行仿真與試驗。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)

8、狀計算機技術(shù)在閘門開關(guān)自動化中的運用是從上世紀才開始發(fā)展起來的。20世紀40年代是幾乎主機與控制一體的直接控制。50年代引進遠方控制技術(shù)，大多采用電磁式、機械式繼電器。60年代集中化技術(shù)被普遍應用，出現(xiàn)了遠距離集中監(jiān)控，進而實現(xiàn)大范圍控制。到了20世紀70年代，計算機發(fā)展程度較高，在發(fā)達國家過程控制自動化得到了普遍應用。進入20世紀80年代，隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和自動控制理論的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)在流量自動控制系統(tǒng)中已占壓倒優(yōu)勢。90年代計算機大量應用于流量自動控制系統(tǒng)，各種軟件應運而生，在技術(shù)或價格上已不存在任何問題。流量控制系統(tǒng)的核心是控制算法，控制算法是處理輸入和控制

9、輸出的邏輯處理過程。在流量的自動控制中出現(xiàn)了先后出現(xiàn)了“經(jīng)典控制理論”、“現(xiàn)代控制理論”、“智能控制理論”三大部分。分別適用于不同的控制系統(tǒng)。PID是最早發(fā)展起來的控制策略，算法簡單、可靠性高。美國調(diào)水工程由水資源部統(tǒng)一管理運行，控制系統(tǒng)包括計算機、通信和電子設備。該系統(tǒng)可對泵站和電廠，節(jié)制閘的閘門和其他各種設備、實施實行計算機通信、監(jiān)控、監(jiān)測和調(diào)度。日本水管理幾乎全部實現(xiàn)了自動化。工程設施和自動化設備均由明確的使用期限，一般規(guī)定1020年更新一次。監(jiān)控系統(tǒng)大都采用集中管理的分層分布式結(jié)構(gòu)，即在一個水系上設有中央管理站，采用計算機和遙測、遙控裝置對各種泵站、水工建筑物、渠道等進行集中控制，以達

10、到水資源綜合利用的目的。我國當前水力計算機控制系統(tǒng)采用分層分布式的功能結(jié)構(gòu)，分為主控級（上位機）、控制級（現(xiàn)地控制單元、現(xiàn)地采集單元），主控級采用雙機互為熱備用的方式。監(jiān)控系統(tǒng)由主控計算機和現(xiàn)地單元級的人機接口，現(xiàn)場控制、采集單元根據(jù)地理條件采用現(xiàn)場總線、無線傳輸?shù)韧ㄓ嵎绞?。從以上分析可以看出，我國當前水利工程計算機控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與國外沒有差別，但在管理與控制網(wǎng)絡上還不夠統(tǒng)一和規(guī)范，還有一些細節(jié)問題上還需要在具體使用環(huán)境下做詳細的研究、設計和規(guī)劃，力求達到設計最優(yōu)、成本最低、運行可靠、操作簡單、維護方便等特點。1.3 主要研究內(nèi)容通過運用MATLAB與SIMULINK仿真系統(tǒng)，驗證幾種不同的

11、流量控制方案，從中選擇一種較好的控制方案，再根據(jù)THJ-2型高級過程控制裝置對流量這一被控對象進行一系列的控制實驗所獲得的數(shù)據(jù)，通過解析法或?qū)嶒灧ǐ@取被控對象的傳遞函數(shù)，在力控人機界面設計模擬控制系統(tǒng)并顯示控制效果。2 設計軟件及設備簡介2.1 THJ-2型過程控制裝置簡介THJ-2型高級過程控制裝置是基于工業(yè)過程的物理模擬對象，它集自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)為一體的多功能實驗裝置，該系統(tǒng)包括流量、溫度、壓力等熱工參數(shù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)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。本裝置還可根據(jù)需要設計構(gòu)成DDC，DCS，PLC,FCS等多種

12、控制系統(tǒng)。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：一路由三磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計以及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由日本三菱變頻器、三項磁力驅(qū)動泵、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成。被控對象：水箱。包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上中下水箱可以組合成一階、二階、三階液位單回路控制實驗和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制等實驗。檢測裝置由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器組成，流量傳感器分別用來對電動調(diào)節(jié)閥支路、變頻之路及盤管出口支路的流量進行測量。執(zhí)行機構(gòu)是電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、電磁閥。電動調(diào)節(jié)閥采用智能型電動調(diào)節(jié)閥，用來進行控制回路流量的調(diào)節(jié)。變頻器輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵

13、。水泵采用磁力驅(qū)動泵，本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵。電磁閥在苯裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。本裝置的基本配置的控制器有調(diào)節(jié)儀表、比值器前饋反饋補償器、解耦裝置。（還可根據(jù)需要擴展遠程數(shù)據(jù)采集和PLC可編程控制系統(tǒng)）比值器、前饋反饋裝置，此控制器與調(diào)節(jié)器一起使用可以實現(xiàn)流量的單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)試驗。解耦控制裝置與調(diào)節(jié)器一起使用可以實現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽與鍋爐夾套的溫度、上水箱液位與出口溫度的解耦控制系統(tǒng)實驗。2.2 力控組態(tài)軟件簡介圖2.1 力控圖標北京三維力控科技有限公司是專業(yè)從事監(jiān)控組態(tài)軟件研發(fā)與服務的高新技術(shù)企業(yè)，核心軟件產(chǎn)品初創(chuàng)于1992年，公司以自主創(chuàng)新為動力，逐漸奠定

14、了在國內(nèi)市場的領(lǐng)先地位。國產(chǎn)監(jiān)控組態(tài)軟件唯一的完整的冗余與熱備體系設計，完整的分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，持控制設備冗余、多重網(wǎng)絡冗余，多客戶端冗余、冗余的主從站都可以操作，機監(jiān)控圖形界面與過程數(shù)據(jù)處理分離，內(nèi)置獨立的實時歷史數(shù)據(jù)庫。圖2.2 力控主界面實時歷史數(shù)據(jù)庫支持Windows/Unix/Linux 操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫開放接口支持遠程訪問；軟件具備獨立的Web Server，支持 Web Service 接口，支持PDA終端訪問方式；和設備支持多種通訊方式，上千種的驅(qū)動程序，支持多協(xié)議設備共用一條通訊總線，支持不同通訊鏈路切換。力控組態(tài)軟件特點：方便、靈活的開發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫面模板、可嵌入各

15、種格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的圖片，方便畫面制作，大大降低了組態(tài)開發(fā)的工作量；高性能實時、歷史數(shù)據(jù)庫，快速訪問接口在數(shù)據(jù)庫4萬點數(shù)據(jù)負荷時，訪問吞吐量可達到20000次/秒；強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網(wǎng)絡數(shù)據(jù)斷線存儲，恢復功能；支持操作圖元對象的多個圖層，通過腳本可靈活控制各圖層的顯示與隱藏；全新的、靈活的報表設計工具：提供豐富的報表操作函數(shù)集、支持復雜腳本控制，包括：腳本調(diào)用和事件腳本，可以提供報表設計器，可以設計多套報表模板；提供在Internet/Intranet上通過IE瀏覽器以“瘦”客戶端方式來監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的解決方案；支持通過PDA掌上終端在I

16、nternet實時監(jiān)控現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支持通過移動GPRS、CDMA網(wǎng)絡與控制設備或其它遠程力控節(jié)點通訊支持控制設備冗余、控制網(wǎng)絡冗余、監(jiān)控服務器冗余、監(jiān)控網(wǎng)絡冗余、監(jiān)控客戶端冗余等多種系統(tǒng)冗余方式。全新的高性能實時、歷史數(shù)據(jù)庫。進程管理器：可按照配置安全啟動、停止各個程序進程，支持進程異常自動處理功能?？蛇h程監(jiān)測各進程狀態(tài)，遠程啟、停進程，遠程上傳、下載工程應用或更新程序組件。圖2.3 力控進程管理界面報警、事件處理：強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網(wǎng)絡數(shù)據(jù)斷線存儲，恢復功。功能強大的、開放的過程可視化監(jiān)控平臺。報表生成器：提供豐富的報表操作函數(shù)集、支持復雜腳本控制，包括：腳本調(diào)用

17、和事件腳本。兼容Excel工作表文件，提供類Excel的絕大部分功能，包括：編輯功能、計算功能、圖表功能等。支持圖表顯示自動刷新，可輸出多種文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。可實現(xiàn)多層表頭，可以實現(xiàn)報表嵌套，可以制作復雜的報表格式。具備打印、打印預覽、頁眉頁腳打印功能。報表實時數(shù)據(jù)庫和各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫，可顯示、處理實時和歷史數(shù)據(jù)。提供報表設計器，可以設計多套報表模板。圖2.4 力控圖庫力控組態(tài)軟件的圖庫豐富，新版本更重新設計、開發(fā)實時和歷史趨勢、XY曲線、多功能報警、歷史報表、總貌畫面、溫控曲線、ADO歷史曲線等標準組件。新增多功能圖片顯示、GIF透明動畫、CAD圖形組

18、件等實用圖形工具。優(yōu)化、改造了文本輸入、下拉框、列表框、復選框、多選按鈕、起始時間、時間范圍、歷史追憶等Windows控件。優(yōu)化、改造了多媒體播放器、Flash播放器、瀏覽器、幻燈片等子圖。增加了大批如：PID調(diào)節(jié)器、手操器等實用子圖。2.2 matlab與simulink編程軟件介紹MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學

19、研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來

20、解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶直接進行下載就可以用。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結(jié)構(gòu)和流

21、程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink

22、提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink®是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB® 緊密集成

23、，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。圖2.5 MATLAB界面圖3 流量控制系統(tǒng)設計方案3.1 總體設計框架圖3.1 總體設計框圖3.2 流量控制系統(tǒng)的工作原理本次設計內(nèi)容分為兩部分：單流量控制系統(tǒng)和流量比值控制系統(tǒng)。單流量控制系統(tǒng)的控制目的是要使被控流量與設定流量相等，并且在simulink仿真系統(tǒng)里添加擾動的情況下根據(jù)對應的控制傳遞函數(shù)進行對應的變化并最終趨近于設定流量。系統(tǒng)的被控對象為管道閥門，通過改變閥門開度控制系統(tǒng)流量。流量比值控制系統(tǒng)需要主動量和從動量兩個變量，從動量隨著主動量的變化進

24、行變化，同時這種變化呈現(xiàn)一種穩(wěn)定的比值關(guān)系。4 方案仿真驗證本次設計的主要內(nèi)容由于涉及比值控制系統(tǒng)，由于一些系統(tǒng)不能消除自身振蕩，總出現(xiàn)一些隨機變化，導致控制結(jié)果不穩(wěn)定，所以在比較各種比值控制系統(tǒng)的過程中需要仿真驗證各個方案的可行性和差別，以此來選擇較好的控制方案。在比值控制方案方面可初步選擇單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)進行比較。而單流量控制系統(tǒng)則不存在這些問題。4.1 單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的simulink仿真方案首先虛擬一個單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，設傳遞函數(shù)的參數(shù)是隨機設定的。在仿真階段只要比較更好的控制效果即可，不需要知道確切傳遞函數(shù)的參數(shù)。單流量控制系統(tǒng)仿真界面：圖4.1

25、 simulink單回路流量仿真利用假定產(chǎn)生的傳遞函數(shù)，根據(jù)階躍輸入，調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，從示波器的輸出響應曲線觀察單回路流量控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.2 傳遞函數(shù)的參數(shù)整定控制器參數(shù)整定：指決定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分時間Ti、微分時間Td和采樣周期Ts的具體數(shù)值。整定的實質(zhì)是通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標，取得最佳的控制效果。整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的方法很多，歸納起來可分為兩大類，即理論計算整定法和工程整定法。理論計算整定法有對數(shù)頻率特性法和根軌跡法等；工程整定法有湊試法、臨界比例法、經(jīng)驗法、衰減曲線法和響應曲線法等。工程整定法特點不需要事先知道過程的

26、數(shù)學模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定方法簡單、計算簡便、易于掌握。4.2.1 湊試法采用湊試法，按照先比例（P）、再積分（I）、最后微分（D）的順序。置調(diào)節(jié)器積分時間Ti=，微分時間Td=0，在比例系數(shù)Kp按經(jīng)驗設置的初值條件下，將系統(tǒng)投入運行，由小到大整定比例系數(shù)Kp。求得滿意的1/4衰減度過渡過程曲線。引入積分作用（此時應將上述比例系數(shù)Kp設置為5/6 Kp）。將Ti由大到小進行整定。若需引入微分作用時，則將Td按經(jīng)驗值或按Td=（1/31/4）設置，并由小到大加入。將TD置0，Ti調(diào)到最大，Kp從小到大輸入數(shù)值并調(diào)節(jié)。得到較好的衰減過渡過程曲線。4.2.2 臨界比例度法閉環(huán)控制系統(tǒng)

27、中，首先使Ti、Td置0，讓調(diào)節(jié)器處于純比例作用下，然后再從小到大調(diào)節(jié)比例系數(shù)，此時得到等幅振蕩的比例成為臨街比例度系數(shù)Ku。而又知道兩個相鄰波峰之間的距離即為振蕩周期。臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟：1）、將調(diào)節(jié)器的積分時間Ti置于最大（Ti=），微分時間置零（Td=0），比例系數(shù)Kp適當，平衡操作一段時間，把系統(tǒng)投入自動運行。2）、將比例系數(shù)Kp逐漸增大，得到等幅振蕩過程，記下臨界比例系數(shù)Ku和臨界振蕩周期Tu值。3）、采用經(jīng)驗公式，根據(jù)Ku和Tu值，計算出調(diào)節(jié)器Kp、Ti和Td的值。按“先P再I最后D”的操作程序?qū)⒄{(diào)節(jié)器整定參數(shù)調(diào)到計算值上。若還不夠滿意，可再作進一步調(diào)整。臨界比例度法

28、整定注意事項：有的過程控制系統(tǒng)，臨界比例系數(shù)很大，使系統(tǒng)接近兩式控制，調(diào)節(jié)閥不是全關(guān)就是全開，對工業(yè)生產(chǎn)不利。有的過程控制系統(tǒng)，當調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)到最大刻度值時，系統(tǒng)仍不產(chǎn)生等幅振蕩，對此，就把最大刻度的比例度作為臨界比例度進行調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。表4.1臨界比力度法整定計算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk4.2.3 阻尼振蕩法在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度k和衰減周期Tk

29、。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)：表4.2阻尼振蕩整定計算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS本設計采用阻尼振蕩法。根據(jù)上述步驟，首先將積分時間Ti調(diào)到最大，而微分時間常數(shù)Td調(diào)為0.而比例系數(shù)較大。則有，傳遞函數(shù)的參數(shù)中，I值為0，K值比較小。首先根據(jù)MATLAB的單回路流量控制仿真圖做出階躍響應曲線圖如下：圖4.2整定前單流量控制系統(tǒng)曲線圖根據(jù)步驟，調(diào)整I值和K值，使曲線衰減比近似4:1，調(diào)整數(shù)據(jù)如下：參數(shù)：K=12.衰減比近似4:1.周期大約為0.5S。根據(jù)上述公式，可得到PID參數(shù)： K1=12.5.Ti=300.Td=0.0

30、2.參數(shù)整定后系統(tǒng)曲線圖如下：圖4.3 參數(shù)整定后單流量系統(tǒng)曲線圖4.3 單閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的仿真方案既然是單回路的比值系統(tǒng)，那即是調(diào)節(jié)器控制輸入流量直接進行比值變化，假定比值系數(shù)為一個定值，模擬一個單回路流量比值控制系統(tǒng)，根據(jù)上面的經(jīng)驗，設計MATLAB仿真界面如下：圖4.4 單回路比值控制系統(tǒng)仿真方案圖中比值系數(shù)K取常數(shù)值，比如3。則系統(tǒng)曲線圖未整定前如下：圖4.5參數(shù)整定前單閉環(huán)流量比值控制曲線圖將TD置0，Ti調(diào)到最大，Kp從小到大輸入數(shù)值并調(diào)節(jié)。得到較好的衰減過渡過程曲線。圖4.6 PID整定運行曲線2在8秒加入擾動，可見系統(tǒng)曲線如圖：圖4.7單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)加入擾動后由此圖可

31、見,由于主動量是開環(huán)，易受干擾，擾動對系統(tǒng)影響較大，并且超調(diào)過高，在擾動后振蕩還無法消除，使得從動量受到的影響過大，因此不夠穩(wěn)定。4.4 雙閉環(huán)流量比值控制方案設計兩條回路，主副回路分別是主動量和從動量輸出，主回路輸出流量為主控流量Q1，副回路輸出流量為從動流量Q2。根據(jù)系統(tǒng)要求，Q2與Q1呈現(xiàn)比值關(guān)系。其中比值器數(shù)值K為一個常數(shù)，同上，取3.則設計雙閉環(huán)流量比值控制方案仿真界面：圖4.8雙閉環(huán)比值控制方案仿真圖分別對Q1、Q2兩個輸出流量的PID調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。使系統(tǒng)控制效果達到預期的比值關(guān)系。改變PID參數(shù)，使得Q1穩(wěn)定曲線圖如圖4.9所示：圖4.9雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Q1曲線Q2的穩(wěn)定

32、曲線如圖4.10所示：圖4.10雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Q2曲線利用同樣的原理，在相同時刻加入相同擾動，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性。加入擾動后Q1流量曲線圖：圖4.11擾動后Q1曲線圖Q2曲線：圖4.12擾動后Q2曲線根據(jù)比較，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在消除自身振蕩方面比較優(yōu)越，同時在添加擾動之后超調(diào)較小。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的自身振蕩不能消除，從而導致從動量跟著主動量的波動一起變化，使該系統(tǒng)控制后的流量不是一個定值。顯然雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)較好的避免了這一缺點。因此本次畢業(yè)設計采用雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)。5 控制方案傳遞函數(shù)的獲取5.1 單回路流量控制系統(tǒng)實驗設計通過改變調(diào)節(jié)閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而達到兩個

33、流量的穩(wěn)定關(guān)系。主控流量Q1作為流程的輸入量，被控流量Q2作為流程輸出量，靜態(tài)時Q1=Q2，當Q1發(fā)生變化時Q2也隨之變化，控制目的要求Q2趨近于Q1。假設水箱液位為h，水箱截面積為A。根據(jù)動態(tài)物料平衡：Q1-Q2=A(dh/dt)Q1-Q2=A(dh/dt)則有：Q1=Q2+A（dh/dt）。Q1=Q2+A（dh/dt）。傳遞函數(shù)為：W(s)=Q2(s)/Q1(s)=K/(TS+1).其中T為時間常數(shù)。K為放大系數(shù)。利用階躍響應實驗法，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱流出閥門實現(xiàn)對被控流量的階躍信號輸出。根據(jù)結(jié)構(gòu)圖連接實驗線路，手動操作調(diào)節(jié)器,控制調(diào)節(jié)閥開度，初始開度OP1=30,等到水

34、箱的液位處于平衡位置時，即流出流量和流入流量達到平衡。改變調(diào)節(jié)閥開度到OP2=40,即對上水箱輸入階躍信號，使流入流量階躍變化，其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時間后，水箱液位重新進入平衡狀態(tài)，流出流量和流入流量重新達到平衡。根據(jù)實驗獲得一組單流量階躍控制數(shù)據(jù):表5.1 輸入流量階躍響應數(shù)據(jù)表11.85611.781120.1223.98714.211219.8735.97816.131320.0248.01917.991419.65510.351019.981520.115.2 單流量控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取根據(jù)參數(shù)表，利用MATLAB繪圖：>>x=0:1:15；>>

35、y=0 1.853.985.97 8.01 10.35 11.78 14.21 16.13 17.99 19.98 20.12 19.87 20.02 19.65 20.11；>> p=plot(x,y)；圖5.1單流量控制系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)圖階躍響應擾動值為10，則靜態(tài)放大系數(shù)K=階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比K0=/.=2.01.取t=T0、2T0、3T0。求出T=10.傳遞函數(shù)為G1(s)=2.01/(10s+1).5.3 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)實驗5.3.1 比值系數(shù)運算設流量變送器的輸出電流和輸入電流間成線性關(guān)系，當流量Q1由0Qmax變化時，相應變送器的輸出電流為420

36、mA。由此可知，任一瞬時主動流量Q1和從動流量Q2所對應變送器的輸出電流分別為I1=Q1/Q1max*16+4 （1）I2=Q2/Q2max*16+4 （2）式中Q1max和Q1max分別為Q1和Q2最大流量值。根據(jù)上面數(shù)據(jù)表，設最大流量值分別為20和20.12.K1值為2.01。假定設計要求Q2/Q1=k,則式（1）可改寫為Q1=（I1-4）/ Q1max （3）同理式（2）也可改寫為Q2=（I2-4）/ Q2max （4）于是求得Q2/Q1=（I2-4） /（ I1-4）* Q2max/Q1max折算成儀表的比值系數(shù)K1為：K1=K*Q1max/Q2max即比值控制器的比值系數(shù)K1=2.0

37、1*20/20.122.5.3.2 比值控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)獲取根據(jù)比值系數(shù)，控制下方閥門開度，可獲得一組流量變化數(shù)據(jù)。比值控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)表如下：表5.2 比值控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)表11.98714.561326.521938.122550.053159.9924.13816.871429.012040.022652.143260.0536.02918.881530.342142.012754.023361.0248.101020.101633.102244.132856.013460.12510.231122.531734.612346.122958.083560.05612.421224.331836.

38、202448.063060.033660.01根據(jù)參數(shù)表，利用MATLAB繪圖：>>x=0:1.5:36；>> y=0 1.984.136.02 8.10 10.23 12.42 14.56 16.87 18.88 20.10 22.53 24.33 26.52 29.01 30.34 33.10 34.61 36.20 38.12 40.02 42.01 44.13 46.12 48.06 50.05 52.14 54.02 56.01 58.08 60.03 59.99 60.05 61.02 60.12 60.05 60.01；>> p=plot(x,

39、y)；圖5.2 流量比值控制系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)曲線階躍響應擾動值為10，則靜態(tài)放大系數(shù)K等于階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比K0=/.=6.12.取t=T0、2T0、3T0。求出T=30.傳遞函數(shù)為G1(s)=6.12/(30s+1).6 流量控制系統(tǒng)設計6.1 單回路流量控制系統(tǒng)設計由于實驗裝置自帶控制閥門，流量控制通過改變閥門開度來實現(xiàn)，所以比較方便控制。單流量控制系統(tǒng)的大概設計圖如圖6.1所示：圖6.1單流量控制系統(tǒng)概圖系統(tǒng)的被控對象為管道，流經(jīng)管道中的液體流量Q作為被控量。由于系統(tǒng)的控制任務是維持被控制量恒定不變，即在穩(wěn)態(tài)時總等于給定值。因此需把流量Q經(jīng)檢測變送后的信號作為系統(tǒng)的反饋

40、量。系統(tǒng)的控制方框圖：圖6.2 單流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)結(jié)構(gòu)圖，在力控組態(tài)軟件界面設計相關(guān)人機界面如圖6.3所示：圖6.3單流量控制系統(tǒng)人機界面創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫變量：圖6.10 模擬I/O點配置圖6.4 數(shù)據(jù)I/O點配置其中Q1為系統(tǒng)設定流量，即主控流量，Q2為系統(tǒng)從動流量。設定流量手動輸入數(shù)值，關(guān)聯(lián)主控流量Q1：開始和結(jié)束的按鍵動作如下：圖6.5 運行界面輸出的被控流量關(guān)聯(lián)Q2變量：圖6.6 改變變量輸入創(chuàng)建趨勢曲線，關(guān)聯(lián)兩個控制變量Q1、Q2:圖6.7 趨勢曲線建立PID手操器并且設置相關(guān)變量：圖6.8 PID手操器屬性界面圖6.9 PID手操器變量設置界面圖6.10 PID手操器參數(shù)整定界面

41、系統(tǒng)運行結(jié)果曲線如圖6.11所示：圖6.11 運行結(jié)果曲線圖6.2 雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)的設計流量比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概圖如圖6.12所示：圖6.12流量比值控制系統(tǒng)概圖雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)有兩條支路，一路是來自于主回路的流量Q1，它是一個主動量；另一路是來自于副回路的流量Q2，它是系統(tǒng)的從動量。要求從動量Q2能跟隨主動量Q1變化而變化，并且兩者之間保持一個定值的比例關(guān)系，即Q2/Q1=K。結(jié)構(gòu)框圖如下：圖6.13 流量比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖力控組態(tài)軟件設計人機界面：圖6.14雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)人機界面界面按鈕開始與停止動作：圖6.15動作程序圖創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫變量：圖6.16數(shù)據(jù)庫變量創(chuàng)建實時曲線圖關(guān)聯(lián)變量：圖6.17實時趨勢曲線關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)變量創(chuàng)建主副回路PID手操器并進行變量關(guān)聯(lián)：圖6.18 主回路PID手操器變量設置圖6.19主回路PID手操器參數(shù)設置圖6.20副回路PID手操器變量關(guān)聯(lián)圖6.21副回路PID手操器參數(shù)整定關(guān)聯(lián)運行結(jié)果曲線如圖6.22所示：圖6.22雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)運行結(jié)果曲線這樣，兩種流量控制系統(tǒng)：單回路流量控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)流量比值控制系統(tǒng)就設計完成了。只要通過更改力控組