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过程控制课程设计
《过程控制》
课程设计报告
题目:
双闭环比值控制系统的分析与设计
姓名:
xxxxxxxxxxxxxxx
学号:
xxxxxxxxxxxx
专业:
电气工程与自动化
年级:
2009级9班
指导教师:
李玉榕
2012年4月25日
目录
一、任务要求·························································2
1.设计题目························································2
2.设计任务························································2
3.原始数据························································3
4.设计内容························································4
二、设计内容及过程····················································4
1.衰减曲线法整定主动量回路控制器参数······························4
2.反应曲线法整定副动量回路控制器参数······························10
3.建立双闭环比值控制系统4.检测系统的抗干扰能力······························13
5.双闭环比值控制系统与串级控制系统特点······································18
三、问题与总结························································18
四、心得体会··························································19
一、任务要求
1、设计题目
双闭环比值控制系统的分析与设计
2、设计任务
在现代工业生产过程中,要求两种或多种物料流量成一定比例关系;一旦比例失调,
会影响生产的正常进行,影响产品质量,浪费动力,造成环境污染,甚至产生生产事故。
如:
燃烧过程中,往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛;制药生产中要求药物和注入剂按比例混合;造纸过程中为保证纸浆浓度,要求自动控制纸浆量和水量比。
例;水泥配料系统等等。
凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统,统称为比值控制系统。
主动量:
起主导作用而又不可控的物料流量Q1;
从动量---跟随主动量而变化的物料流量Q2;
生产过程中,根据工艺过程容许的负荷波动幅度、干扰因素的性质和产品质量的要
求不同,实现对两种物料流量比值的控制方案也不同:
开环比值控制系统、单闭环比值控
制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。
双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从
动量随动控制回路组成,其流程图和方框图分别如图1和图2所示。
通过主动量控制回路能克服主动量干扰,实现对主动量的定值控制;通过从动量控制
回路抑制作用于从动量回路的干扰,从而使主、从动量均比较稳定,能保持在一定的比值,使总物料量保持稳定。
双闭环比值控制系统常用于负荷变化或总的物料变化比较平稳的工业生产过程。
本次设计要求设计一个双闭环比值控制系统。
3、原始数据
(1)要求比值控制系统的从动量跟随主动量变化而变化,其中两个流量仪表的信号比值系数;
K=Q2/Q1=4
(2)主对象广义传递函数为:
(3)从对象广义传递函数为:
(4)主动量回路和副动量回路均采用PI控制规律。
(5)主动量每隔100s变化,幅值分别为[31421]。
4、设计内容
(1)采用衰减曲线法整定主动量回路控制器参数;
(2)采用反应曲线法整定主动量回路控制器参数;
(3)在MATLAB/SIMULINK环境中建立双闭环比值控制系统,并投入运行,估计系统阶跃响应曲线的超调量、上升时间和过渡过程时间;
(4)检验双闭环比值控制系统的抗干扰能力:
主动量和从动量分别改变10%,检验系统的抗干扰能力。
(5)分析双闭环比值控制与串级控制的区别,以及各种的优缺点。
二、设计内容及过程
1、衰减曲线法整定主动量回路控制器参数
①衰减曲线法:
将控制器的积分时间TI置于最大(TI=∞),微分时间TD置
(TD=0),比例带置为较大的数值,把系统投入闭环运行。
②系统稳定后,施加一个阶跃输入;减小比例度,直到出现衰减振荡为止。
记录比例带s,及衰减振荡周期或上升时间。
图3衰减比为4:
1与10:
1的阶跃响应曲线
③根据s,TS,tp,采用下表中的经验公式,计算控制器各参数。
④按先P,后I,最后D的操作程序,将控制器整定参数调到计算值上;观察其运行曲线,作进一步调整。
使用MATLAB软件对主回路系统进行仿真:
1δ=1时,采用衰减曲线法整定主动量控制参数的系统框图
图4δ=1的主动量系统框图
系统阶跃响应曲线:
图5δ=1的主动量阶跃响应曲线
δ=1,B1=1.045,B2=0.796,f=0.75,系统为衰减比n=6.413.
2δ=0.667时,采用衰减曲线法整定主动量控制参数的系统框图
图6δ=0.667的主动量系统框图
系统阶跃响应曲线:
图7δ=0.667的主动量阶跃响应曲线
δ=0.667,B1=1.459,B2=1.015,f=0.815,系统为衰减比n=2.344.
3δ=0.8时,采用衰减曲线法整定主动量控制参数的系统框图
图8δ=0.8的主动量系统框图
系统阶跃响应曲线:
图9δ=0.8的主动量阶跃响应曲线
δ=0.8,B1=1.215,B2=0.905,f=0.790,系统为衰减比n=3.696.
4δ=0.820时,采用衰减曲线法整定主动量控制参数的系统框图
图10δ=0.82的主动量系统框图
系统阶跃响应曲线:
图11δ=0.82的主动量阶跃响应曲线
δ=0.82,B1=1.188,B2=0.883,f=0.785,系统为衰减比n=4.11.
5δ=0.813时,采用衰减曲线法整定主动量控制参数的系统框图
图12δ=0.813的主动量系统框图
系统阶跃响应曲线:
图13δ=0.813的主动量阶跃响应曲线
δ=0.813,B1=1.196,B2=0.887,f=0.787,系统为衰减比n=4.09.
当δ=0.813时,衰减比n约为4:
1
此时衰减率为0.75,根据衰减曲线法整定计算公式可得:
整定后的δ=1.2*0.813=0.976,T=0.5*Ts=10.
2、反应曲线法整定副动量回路控制器参数
反应曲线法:
一种开环整定方法,利用系统开环广义对象的阶跃响应曲线进行控制器参数整定。
图14反应曲线法开环系统框图
①系统置于开环状态。
②在调节阀Gv(s)的输入端施加一个阶跃信号,记录下测量变送环节Gm(s)的输出响应曲线y(t)。
③根据阶跃响应曲线,得到广义被控过程的传递函数。
④根据近似经验公式计算控制器参数
⑤无自平衡广义过程自平衡广义过程
图15无自衡广义过程响应曲线图16自衡广义过程响应曲线
6无自衡过程参数整定
自衡过程参数整定
使用MATLAB软件对副回路系统进行仿真:
①采用反应曲线法整定副动量控制参数的系统框图
图17反应曲线法整定副动量系统框图
阶跃响应曲线:
图18反应曲线法整定副动量阶跃响应曲线
采用两点法来计算副回路整定参数:
从曲线上选取两点(200.75),(502.35),通过计算得:
τ=24.19,T=13.04
副回路控制规律为PI,利用柯恩-库恩整定公式:
δ=3.1434,T=19.352
3、根据主副动量整定的参数在MATLAB环境下建立双闭环比值控制系统
①双闭环比值控制系统框图:
图19双闭环比值控制系统框图
②主动量系统阶跃响应曲线:
图20双闭环主动量阶跃响应曲线
③副动量系统阶跃响应曲线:
图21双闭环副动量阶跃为响应曲线
通过阶跃响应曲线计算曲线超调量及上升时间,过渡时间,使得系统满足试验要求:
使主、从动量均比较稳定,能保持在一定的比值。
细调主、副动量的参数:
当主回路参数K=0.65,T=16:
副回路参数K=0.232,T=22.99时,系统超调量满足要求且能够达到稳定。
整定后的主动量阶跃响应曲线:
图22整定后的双闭环主动量阶跃响应曲线
整定后的副回路阶跃响应曲线:
图23整定后的副回路阶跃响应曲线
4、检测系统的抗干扰能力:
给系统加10%阶跃扰动,通过观察图形,分析系统的抗干扰能力。
①增加扰动后的系统框图:
图24增加扰动后的系统框图
②在80s给系统主动量加10%阶跃扰动的响应曲线:
图25增加扰动后的主动量阶跃响应曲线
③在180s给系统副动量加10%阶跃扰动的响应曲线:
图26增加扰动后的副动量阶跃响应曲线
通过观察曲线,主副动量均能在扰动之后自动达到平衡,说明系统的抗干扰能力较强,满足设计要求。
5、双闭环控制系统与串级系统的特点
(1)双闭环控制系统:
双闭环控制系统是由一个定值控制回路和一个跟随主动量变化的从动轮随动控制回路组成。
通过主动量控制回路能够克服主动量的干扰,实现对主动量的定值控制:
通过从动量控制回路抑制作用于从动量回路中的干扰,从而使主、从动量均比较稳定,能保持在一定的比值,使总物料量保持稳定;但是该方案所用设备较多、投资较高,而且需要防止控制系统中主、从动量控制回路的工作频率过于接近所引发的共振,避免系统不稳定运行。
(2)串级控制系统是一种常用的复杂控制系统,可以有效改善控制品质。
由两个或者两个以上的控制器串联组成,一个控制器输出作为另一个控制器的设定值。
串级系统对进入副回路的二次干扰有很强的抑制能力;能有效改善控制通道的动态特性,提高系统的工作频率;对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。
三、问题与总结
1、开始对MATLAB的使用不熟悉,通过问同学看书能够寻找到元件并建立系统框图和观察仿真曲线;
2、不懂如何使用衰减曲线法和反应曲线法整定系统参数,通过看课件了解了这两种方法,虽然能够完成实验步骤,但是不知道为什么衰减比要调节到4:
1:
3、反应曲线法整定副动量参数时,采用两点法计算,由于t1、t2的取值不满足要求,计算值出现错误。
4、组成双闭环比值控制系统后,不知道如何让才能达到实验要求,通过问老师,当超调量满足小于20%,且100s前能够达到稳定即满足实验要求。
5、加扰动后,所加扰动过大,响应曲线抗干扰能力不明显,减小阶跃扰动后,曲线有下降趋势,但不能够达到平衡,问老师知道下降时间到达到平衡的时间不够,有下降趋势说明能够抗干扰。
四、心得体会
通过此次课设,一方面使我了解到双闭环比值控制系统克服了单闭环比值系统中主流量不受控制、易受干扰的不足,通过主动量控制回路能够克服主动量的干扰,实现对主动量的定值控制:
通过从动量控制回路的抑制作用于从动量回路的干扰,从而使主、从动量均比较稳定且能保持在一定的比值;另一方面,提高了我对课设的认识,把知识转化到实际应用中,对以后的工作带来很大的帮助。
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- 关 键 词:
- 过程 控制 课程设计