过程控制课程设计.docx

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过程控制课程设计

《过程控制》大作业

题目:

大型煤气炉温度控制系统

班级：

0602201

学号：

********6

******

******

完成时间：

2010年3月16日

一设计任务及要求

一大型煤气炉在稳定后，将系统切到手动转台，将的供气阀门开度增加

、持续

后结束，记录炉内温度变化数据如下表，试根据实验数据设计一个超调量

的无差温度控制系统。

t（min）

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

℃

0

2.55

7.50

15

21

18..40

14.50

12

9.60

7.40

5.80

t（min）

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

（℃）

4.50

3.70

3.00

2.30

1.70

1.20

0.80

0.50

0.40

0.20

0.10

具体设计要求如下：

（1）根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的模型；

（2）根据辨识结果设计符合要求的控制系统（给出带控制点的控制流程图，控制系统原理图等，选择控制规律）；

（3）根据设计方案选择相应的控制仪表；

（4）对设计系统进行仿真，整定运行参数。

二被控对数学模型建模及对象特性分析

2.1数学模象的型计算及仿真验证

根据矩形脉冲响应数据y，得到阶跃响应数据ys，并进行相应的归一化处理，则得单位阶跃响应数据y*，如下表：

t（min）

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

℃

0

2.55

7.50

15

21

18..40

14.50

12

9.60

7.40

5.80

y*℃

0

2.55

10.55

25.05

46.05

64.45

78.95

90.95

100.55

107.95

113.75

t（min）

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

（℃）

4.50

3.70

3.00

2.30

1.70

1.20

0.80

0.50

0.40

0.20

0.10

y*℃

118.25

121.95

124.95

127.25

128.95

130.15

130.95

131.45

131.85

132.05

132.15

表1

稳态值y*（∞）=132.15+0.10=132.25。

使用Matlab编辑.m文件，通过给定的矩形脉冲响应求对象的阶跃响应，并用插值方法画出曲线。

图1

将阶跃函数曲线归一化，得到单位阶跃响应如下图，从图中取y*（t1）=0.4，y*（t2）=0.8，则t1=258s;t2=522s。

图2

对象增益为K，K=θ（稳态值）/Δu=5.29。

从归一化曲线中取θ*（t1）=0.4,θ*（t2）=0.8，则t1=8.69s，t2=17.41s，t1/t2=0.46<0.4991<0.534。

因此使用三阶系统，根据公式3*T=（t1+t2）/2.16*60，解得T=241，由于纯延时为0，因此对象的传递函数为：

Gp（s）=Y（s）/U（s）=5.29/{（241s+1）^3}。

其程序代码如下：

x=0:

2:

42;

y1=[02.557.5152118.414.5129.67.45.84.53.73.02.31.71.20.80.50.40.20.1];

y2=[02.5510.0525.0546.0564.4578.9590.95100.55107.95113.75118.25121.95124.95127.25128.95130.15130.95131.45131.85132.05132.15];

y3=132.25;

ys=y2./y3;

x0=0:

0.005:

42;

y4=spline（x,y1,x0）;%y,脉冲响应，插值函数

y5=spline（x,y2,x0）;%y1,阶跃响应

y6=spline（x,ys,x0）;%ys,单位阶跃响应

plot（x,y1,'r*'）

holdon

plot（x0,y3,'m'）;

holdon

gtext（'红色--脉冲响应'）;

holdon;

plot（x,y2,'m*'）

holdon

plot（x0,y5）;

gtext（'绿色--阶跃响应'）;

grid;

figure;

plot（x0,y6,'r'）

gtext（'单位阶跃响应'）;

grid;

2.2对象特性分析

分析所得的对象传递函数的特性，观察其稳定性。

程序如下：

num=[5.29];

den=conv（[2411],conv（[2411],[2411]））;

G=tf（num,den）;

W=feedback（G,1）;

step（W）;

gtext（'单位阶跃响应'）;

grid;

所得响应曲线如下图：

图3

由上图可知，随着时间的推移，该对象的单位阶跃响应呈现稳定状态，但系统超调太大，震荡太厉害，且为温度控制系统，应使用PID进行控制。

三控制系统设计

3.1基本控制方案

采用基本PID调节。

PID控制是比例积分微分，控制的简称。

是一种负反馈控制。

即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负反馈系统。

其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系统的不平衡，使系统输出稳定。

P：

基本作用是使输入输出无相差，Kc增加。

作用增强，余差下降，超调减少，稳定性变差。

I：

引入之后消除余差，但幅值增加，相位滞后，稳定裕度下降，同时应防积分饱和。

D：

引入后幅值增加，相位超前，使稳定裕度提高。

由于温度控制属于慢控制，所以进入D环节来加快调节速度。

系统流程图如下图：

系统流程图如下图

图4

系统原理图如下图：

图5

3.2控制仪表选择

选择目前通用的DDZ-Ⅲ型表。

由于煤气炉温度很高，所以采用热电偶，Km>0,调节阀为气开阀，保证煤气炉的安全性。

有Kv>0，对象Kp>0，因此调节器Kc>0。

温度变送器量程为0—1500℃，调节阀范围0—100T/min，则

Gv=（100-0）/（20-4）=6.25T/min/mA,Gm=（20-4）/（1500-0）=0.0107mA/℃.

所以Go=Gv*Gp*Gm,则广义对象的传函为：

G0=0.3538/{（241s+1）^3}。

3.3参数整定

设调节器传递函数为Gc（s）=Kp*（1+1/（Ti*s）+Td*s），采用Z-N法对PID参数进行整定。

首先求控制对象的单位阶跃响应。

其程序如下：

num=[0.3538];

den=conv（[2411],conv（[2411],[2411]））;

G=tf（num,den）;

step（G）;

k=dcgain（G）

k=

0.3538

图6

由上图可知，tao=216s，T=1080-200=864s，用z-n法确定PID参数kp、Ti、Td。

其程序代码如下：

k=0.3538;tao=216;t=864;

kp=1.17*t/（k*tao）;Ti=2*tao;Td=0.5*tao;

kp,Ti,Td,

s=tf（'s'）;

Gc=kp*（1+1/（Ti*s）+Td*s）;

num=0.3538;

den=conv（[241,1],conv（[241,1],[241,1]））;

G0=tf（num,den）;

G=feedback（Gc*G0,1）;

step（G）

得到kp=13.2278

Ti=432

Td=108

图7

通过上图可以明显看到超调还是大于要求的25%，但震荡频率明显减小。

为了达到设计要求，对整定后的参数进行修改。

减小kp且增大Td，得到的仿真结果如下：

kp=7;Ti=480;Td=200;

s=tf（'s'）;

Gc=kp*（1+1/（Ti*s）+Td*s）;

num=0.3538;

den=conv（[241,1],conv（[241,1],[241,1]））;

G0=tf（num,den）;

G=feedback（Gc*G0,1）;

step（G）

图8

最终整定后参数为kp=7；Ti=480；Td=200。

由上图可知：

超调量最大为20%，误差带为5%时的Ts=1400s。

系统超调量符合要求20%<25%；且为无差系统；调节时间比较合适。

采用此方法满足题目要求。

3.4系统仿真

在Simulation中对系统进行仿真，其仿真原理图如下图：

图9

得到的仿真曲线如下图所示：

图10

由上图可以看出来，最终整定的结果是符合设计要求的，超调量最大为20%，误差带为5%时的Ts=1700s。

系统超调量符合要求20%<25%；且为无差系统；调节时间比较合适。

因此采用此方法满足题目要求。