计算机控制系统设计报告.docx
- 文档编号:2365799
- 上传时间:2022-10-29
- 格式:DOCX
- 页数:22
- 大小:238.04KB
计算机控制系统设计报告.docx
《计算机控制系统设计报告.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《计算机控制系统设计报告.docx(22页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
计算机控制系统设计报告
计算机控制系统课程设计
姓名:
班级:
学号:
专业:
指导教师:
摘要
过程控制是自动技术的重要应用领域,它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制,在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用,比如,民用水塔的供水,如果水位太低,则会影响居民的生活用水;工矿企业的排水与进水,如果排水或进水控制得当与否,关系到车间的生产状况;锅炉汽包液位的控制,如果锅炉内液位过低,会使锅炉过热,可能发生事故;精流塔液位控制,控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。
在这些生产领域里,基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质,极容易出现操作失误,引起事故,造成厂家的的损失。
可见,在实际生产中,液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以,为了保证安全条件、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象,水箱的液位为被控制量,选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。
针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点,建立了基于VisualBasic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。
虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。
但是,要想取得良好的控制效果,必须合理的整定PID的控制参数,使之具有合理的数值。
目录
第1章概述3
1.1MATLAB的基本介绍3
1.2PID控制的基本介绍3
1.3单容水箱生产工艺5
1.4设计目的5
第2章总体方案设计6
2.1单容水箱液位控制概述6
2.2单容水箱液面控制系统的组成6
2.2.1被控变量的选择7
2.2.2执行器的选择7
2.2.3液位变送器的选择7
2.3单容水箱系统控制建模10
2.3.1液面的控制实现10
2.3.2被控对象10
2.3.3水箱的建模10
第3章PID控制简介及整定12
3.1液面控制系统中PID的算法12
3.1.1PID控制原理13
3.1.2位置型算法15
3.1.3控制型算法15
3.2系统PID控制特点16
3.3系统PID参数整定方法16
第4章单容水箱液面控制仿真18
4.1被控对象的模型仿真18
4.2单容水箱液面控制仿真及结果18
总结24
参考文献25
第1章概述
1.1.MATLAB的基本介绍
(1)MATALB语言体系
MATLAB是高层次的矩阵/数组语言.具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。
利用它既可以进行小规模编程,完成算法设计和算法实验的基本任务,也可以进行大规模编程,开发复杂的应用程序。
(2)MATLAB工作环境
这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称.包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法,以及开发、调试、管理M文件的各种工具。
(3)图形图像系统
这是MATLAB图形系统的基础,包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令,也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令,以及开发GUI应用程序的各种工具。
(4)MATLAB数学函数库
这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称.包括各种初等函数的算法,也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。
(5)MATLAB应用程序接口
这是MATLAB为用户提供的一个函数库,使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序,包括从MATLAB中调用于程序(动态链接),读写MAT文件的功能。
可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统,是集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。
除此之外,MATLAB还具有根强的功能扩展能力,与它的主系统一起,可以配备各种各样的工具箱,以完成一些特定的任务。
1.2.PID控制的基本介绍
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。
反馈理论的要素包括三个部分测量、比较和执行。
测量关心的变量与期望值相比较,用这个误差纠正调节控制系统的响应。
这个理论和应用自动控制的关键是做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统PID-比例-积分-微分控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元,P、积分单元I和微分单元D组成。
其输入e(t)与输出u(t)的关系为公式
公式1-1
比例调节作用
按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。
比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用
使系统消除稳态误差,提高无差度。
因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。
积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。
反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。
积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用
微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。
因此,可以改善系统的动态性能。
在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。
微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。
此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。
微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
PID控制器由于用途广泛、使用灵活,,已有系列化产品。
使用中只需设定三个参数Kp,Ki和Kd即可。
在很多情况下,并不一定需要全部三个单元可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。
首先,PID应用范围广。
虽然很多控制过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。
其次,PID参数较易整定。
也就是PID参数Kp,Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化。
例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化PID参数就可以重新整定。
第三PID控制器在实践中也不断的得到改进,下面两个改进的例子,在工厂,总是能看到许多回路都处于手动状态。
原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足。
采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。
现在,自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好,但它们仍存在一些问题需要解决如果自整定要以模型为基础。
为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的,经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来。
因此受到干扰的影响控制器会产生超调产生一个不必要的自适应转换。
另外,由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析
方法参数整定可靠与否存在很多问题。
因此许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
但仍不可否认PID也有其固有的缺点PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,工作地不是太好。
最重要的是,如果PID控制器不能控制复杂过程,无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点,PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
1.3单容水箱生产工艺
单容水箱液位控制系统实验装置模拟了工业生产过程中对液位、流量参数的测量和控制。
它具有过程控制中动态过程的一般特点:
大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制
随着工业的发展,液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛,为保证生产过程的安全,效益等对液位控制的精确要求,传统PID控制和模糊控制在液位控制中都有应用。
根据不同情况下对液位控制的要求,选择最适合的控制方法,本实验以三容水箱的液位控制模型为研究对象,用传统的PID控制进行调节,观察到传统PID控制措施简便,但超调量大,趋于稳定状态所需时间长。
1.4设计目的
此次设计的最主要目的是单容水箱液位控制系统设计基于SIMNLINK仿真的设计,利用MATLAB软件对工业过程控制的仿真,通过作图以及数据的分析判断系统的合理性、稳定性等,使用Simulink仿真工具进行三容水箱控制过程控制仿真,(单回路控制)包括过程控制数学模型的搭建,学习在虚拟环境下的PID参数整定。
DGT
第2章总体方案设计
2.1单容水箱液面控制概述
单容水箱液位控制系统实验装置模拟了工业生产过程中对液位、流量参数的测量和控制。
它具有过程控制中动态过程的一般特点:
大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制。
在实验的基础上对单容水箱的数学模型进行推导并显示建立的数学模型正确的反映出了单容水箱的动态特性。
单容水箱是工业生产过程中多容流程对象的抽象模型,具有很强的代表性,可模拟工业过程阶次、线性或非线性、单容或多容、耦合或非耦合等特性、验证各种控制策略的性能优劣,因而研究单容水箱的控制具有重要的理论意义和实际应用价值.本文在对单容水箱和工作机理分析的基础上,首先建立单容水箱的非线性数学模型,然后根据流量特性的特点,采用分段线性化的方法设计了变参数PID控制器,仿真分析指出该控制策略在给定大范围变化时动态和静态性能较差的不足.从仿真和实验结果来看,非线性PID控制可以实现液位控制的“粗调”和“精调”,保证液位给定大范围变化情况下控制准确性,验证了本文所研究控制策略的正确性和可行性。
系统原理图如图2.1。
2.2单容水箱液位控制系统的组成
本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统,是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。
所谓的简单控制系统,通常是指一个被控对象、一个检测变送单元(检测元件及变送器)、一个控制器和一个执行器(控制阀)所组成的单闭环负反馈控制系统
2.2.1被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统的核心问题,被控变量选择的正确与否是决定控制系统有无价值的关键。
对于任何一个控制系统,总是希望其能够在稳定生产操作、增加产品产量、保证生产安全及改善劳动条件等方面发挥作用,如果被控变量学则不当,配备再好的自动化仪表,使用在复杂、先进的控制规律也无用的,
都不能达到预期的控制效果。
对于水箱液位控制系统,其被控变量是显而易见的,液位就是其被控变量,是直接参数控制。
2.2.2执行器的选择
执行器在控制系统中起着极其重要的作用。
控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。
执行器接受控制其输出的控制信号,实现对操纵变量的改变,从而使被控变量向设定值靠拢。
执行器位于控制回路的最总端,因此又称为最终元件。
本设计所使用的执行器为控制阀,也称调节阀。
控制阀发装现场,通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。
如果选择不当或维修不妥,就会使整个系统无法正常运作。
经验表明,控制系统不能正常运行的原因,多数发生在控制阀上。
对于系统控制阀的选择很重
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 计算机控制 系统 设计 报告