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MATLAB课程设计
东华理工大学高等职业技术学院
计算机辅助设计实习报告
姓名:
汪方操
专业:
电气自动化
班级:
1240803
学号:
201240080317
指导老师:
夏洪
2014年10月24日
摘要:
以喷雾式乳液干燥系统为例,简要的进行了系统的分析、设计过程,并利用simulink对不同的设计方案进行仿真及比较,根据工业生产实际选出了最佳的设计方案,根据“经验法”对PID控制参数进行了整定,得到了较为满意的控制品质。
关键词:
设计仿真PID控制器参数整定
1.前言
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。
2.课程设计要求
(1)查阅资料,在东华理工大学网查资料。
查询5篇科技期刊论文。
(2)画出生产奶粉的控制系统的框图。
(3)选定控制系统的三个参数:
Kp,Ki,Kd。
(4)选定系统的输入为单位阶跃输入:
用simulink画出系统的输出曲线。
(5)用MATLAB求出该系统的单位阶跃响应。
(6)用MATLAB画出系统的bode图。
(7)求出系统的性能指标:
超调量,稳态误差,调节时间,上升时间。
(8)进一步优化系统,改变Kp,Ki,Kd的数值,使超调量,稳态误差,调节时间,上升时间更加理想。
3.喷雾式乳液干燥系统生产过程及工艺要求概述
图2.1喷雾式乳液干燥过程示意图
图2.1喷雾式乳液干燥过程示意图,通过空气干燥器将浓缩的乳液干燥成乳粉。
已浓缩的乳液由高位储槽流下,经过滤器,然后从干燥器顶部喷嘴喷出。
干燥空气经热交换器加热、混合后,通过风管进入干燥器与乳液接触,将乳液中的水分蒸发形成乳粉。
要求乳粉质量高,含水量波动不能太大。
由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固话,也不能用泵抽送,因而采用高位槽的办法,也就是槽中盛了鲜奶,再通过加热干燥使水分蒸发,使之成为奶粉。
由于需要蒸发掉乳液中的水分,使之成为粉状物,并随湿空气一起送出进行分离。
生产工艺对干燥后的产品质量要求很高,水分含量不能波动太大,因而需要对干燥的温度进行严格控制。
试验证明,若温度波动在正负2度以内,则产品质量符合要求。
4控制方案设计
1
2
3
4.1被控参数选择
按照生产要求,产品的质量取决于乳粉水分的含量。
湿度传感器的精度低、滞后大,不易实现精确、快速的测量。
而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切相关,且容易找到单值对应关系。
因而可选择干燥器的出口温度作为被控参数(间接),从而实现对奶粉水分控制。
4.2控制变量选择
影响干燥器出口温度的变量有乳液流量[记为f1(t)]、旁路空气流量[记为f2(t)]、加热蒸汽量[记为f3(t)]三个因素,通过图2.1的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。
选择其中之一均可得到相应的控制方案。
以下我选择旁路空气流量f2(t)为控制变量
以旁通冷分流量f2(t)为控制变量,得到控制方案方框图:
图3.2.2方案2对应的方框图
5.通道分析:
1.
2.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
5.1各环节的放大系数均为1;
5.2温度测量变送器:
假定温度测量变送元件的时间常数为5秒即,
;
5.3干燥器:
干燥温度对于乳化物流量,对于热风温度都看作是3个时间常数为8.5s,滞后时间为2秒的对象,即干燥器特性为
;
5.4风管:
只是一个流动通道,可近似的看作是一个滞后环节,对应于操作时的热风流速,滞后时间为3秒
5.5两个时间常数为100s的环节
5.6混合过程:
加热器热风与旁路冷风的混合过程,可以看作时间常数为100秒的环节
;
6仿真及分析:
Simulink仿真方案:
图3.4.3方案2simulink仿真图
图3.4.4方案2simulink仿真结果图
由于一阶惯性环节的时间常数T和纯滞后t,相对于方案1控制通道有一定的之后,控制变量对干燥器的反应不够灵敏干扰f1(t)影响较大,而干扰f2(t)引起的动差小而且平缓。
7.PID参数整定
7.1利用衰减曲线法进行的整定:
整定参数
调节规律
P
Ti
Td
P
P
I
1.2P
0.5TS
D
0.8P
0.3TS
0.1TS
表1衰减比4:
1时,衰减曲线法整定参数计算参考表
首先将P置较大的数值,Ti=
,Td=0.第一次置的值为10,发现系统已经发散,说明P
的值过大。
适度的减小,直至出现衰减震荡。
如果衰减的比例大于4:
1,说明P的值过小,需适
当的增大。
经过多次试探可确定最终的P值为4.
图4.1P=10系统响应曲线图4.2P=4系统响应曲线
7.2利用workspace的数据,可得第一个峰值为y1=1.2196,y2=0.9161,y(
)=0.8086;于是
满足条件。
此时TS=231.41-86.85=144.56S.
整定参数
调节规律
P
Ti
Td
P
4
I
4.8
72.28
D
3.2
43.368
14.456
表2根据P确定的PID整定参数计算表
7.3整定完成后系统仿真图
7.4PID控制结果
PID整定后系统性能指标
超调量=63.37%
稳态误差=0
Ts=100s
Tr=60.22
8.干扰仿真
F3(t)蒸汽流量扰动,延迟500秒仿真图
F1(t)乳液流量扰动,延迟500秒仿真图
F1(t)与F3(t)同时作用,延时500秒仿真图
没有扰动作用:
需要说明的是由于生产的实际,我们总是希望系统的生产能力处于最大的状态,也就是说乳液的流量f1(t)对应的阀门始终处于最大的开度状态,这样f1(t)的扰动基本上是为零的,这样PID调节器对于生产实际已经能满足要求。
综上所述,对于衰减法进行的PID参数整定,很重要的一点是如何确定P值,一旦P值确定后,便可根据经验的表格进行计算得出相应的结果。
需要说明的是上述表格得出的结果只是一个参考值,如果整定的效果仍旧不满意可以进行相应的微调,直至满意为止。
8.2.系统进行微调后的图形
系统性能指标:
超调量=7.05%
稳态误差=0
Ts=150s
Tr=76.5055s
9.MATLAB指令画图
9.1系统单位阶跃响应
指令代码
clear
clc
s=tf('s')
G=[(3.2*(1+1/(43.368*s)+14.456*s)*(5*s+1))-((1/s)*(5*s+1)*(s+3)*(100*s+1))+((5*s+1)/(100*s+1)/(100*s+1))]/[(3.2*(1+1/(43.368*s)+14.456*s))+((100*s+1)*(s+3)*(5*s+1)*(8.5*s+1)*(8.5*s+1)*(8.5*s+1))]
%step(G)
bode(G)
9.2结果
加入两个扰动系统单位阶跃响应图
系统伯德图:
加入两个扰动
没有扰动伯德图:
没有扰动作用单位阶跃响应图:
F3(t)扰动单独作用单位阶跃响应图:
F3(t)扰动单独作用伯德图:
F1(t)扰动单独作用单位阶跃响应图:
F1(t)单独作用伯德图:
10.结束语及感悟
感谢夏老师的指导,使我明白了PID控制因其简单、易用而广泛应用于工业现场。
本次正是以工业生产实际为标准进行的设计。
其实不难发现,控制的最后对于干扰的预制并不是太好。
如果进行多级控制,在最后的输出再增加一个负反馈回路,形成反馈回路,达到的控制效果将会更好。
读完五篇参考文献,使我明白了科学的严谨。
PID控制的特点以及参数整定。
喷雾式乳液干燥器的特点及工作原理。
本次试验收获颇多。
11.参考文献
[1]. 李华,范多旺,魏文军,等.计算机控制系统[M].北京:
机械工业出版社,2007.
[2]. 王树青.工业过程控制工程[M].北京:
化学工业出版社,2004.
[3]. 刘金琨.先进PID控制及其Matlab仿真[M].2版.北京:
电子工业出版社,2006.
[4]. 朱麟章.过程控制系统及设计[M].北京:
机械工业出版社,1996.
[5]. 李少远,王景成.智能控制[M].北京:
机械工业出版社,2005.
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