过 程 控 制 综 合 实 践
组 长：李艳杰 （2005091116）
组员姓名：李 君 （2005091215）
刘建为 （2005091117）
陆雨顺 （2005043301）
叶昌燕 （2005043304）
游盛文 （2005043324）
张 超 （2005043325）
邱 恒 （2005043315）
邢瑞强 （2005043322）
班 级：机电学院自动化05级3班
指导教师：徐宝昌 许亚岚 聂建英
目 录：
第1章 课程题目分析 3
第2章 单回路双容液位控制系统设计 6
第3章 液位-液位串级双容控制系统设计 23
第4章 前馈-反馈双容液位控制系统设计 33
参考文献 40
第一章 课程题目分析
选择题目一 双容液位控制系统设计
[实验目的]
设计一双容液位控制系统。要求学生以现有实验装置为基础自行设计，进行多种类型控制系统的设计（单回路、串级、前馈等），确定选用的检测点和操纵变量，分析说明理由。进行仪表的选型，利用实验室现有的计算机控制系统或模拟仪表控制系统来进行系统接线，完成系统的投运，设定合适的PID参数，以达到要求的控制系统性能指标，并分析PID的三个调整参数对控制系统的影响。综合考虑抗干扰问题、控制系统的稳定性、鲁棒性、动态性能、稳态偏差等，对所设计的控制系统进行分析等。
（1）了解A3000实验系统的工艺流程、工艺指标和操作条件；
（2）掌握双容液位控制系统的组成、特点。
（3）熟悉液位控制系统的各种自动化仪表及测量点设计、调节阀的选择；
（4）熟悉双容对象的控制
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
和实现方法，熟悉双容液位控制系统中PID参数的调节。
[实验设备]
A3000现场系统（本组采用3号设备），DDC控制系统或常规仪表控制系统。
[设计要求]
（1）系统的工艺流程图、控制方案与简图
（2）控制系统详细设计：受控对象、受控变量、操纵变量、扰动变量等
（3）测量点设计：现有测量点的位置选择是否正确，相应的测量仪表的特性要求等
（4）建立对象的动态数学模型，利用Matlab对控制系统进行仿真
（5）实验系统的投运，包括如何设计一个完整的能够满足设计要求的工艺过程，利用过程控制工程课程中的参数整定方法来整定控制器参数，并将系统投运起来
（6）要求能够得到衰减比为4：1的衰减振荡曲线
（7）控制性能分析
[现场系统组成]
A3000现场系统（A3000-FS和A3000-FBS）包括三水箱，一个锅炉，一个强制换热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水箱，如图1.1 所示
[控制柜组成]
A3000控制系统（A3000-CS）包括了传感器、执行器、I/O连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。
图1.1 2型现场系统结构图
图1-4-1 系统结构图
[控制方案设计]
我们组采用了3种控制方案，分别是单回路，双液位串级，前馈反馈控制。
下面我们分别对这3种方案进行设计。
第二章 单回路双容液位控制系统设计
[实验原理]
单回路调节系统，一般是指用一个控制器来控制一个被控对象，其中控制器只接收一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。单回路流量PID控制系统也是一种单回路调节系统，典型的单回路流量PID控制系统方框图如下图所示：
图2.1 典型的单回路流量PID控制系统方框图
在单回路流量PID控制系统中，以液位为被控量。其中，测量电路主要功能是测量对象的液位并对其进行归一化等处理；PID控制器是整个控制系统的核心， 控制单回路的液位达到期望的设定值。
[工艺流程图]
图2.2 单回路工艺流程图
[设计说明]
受控对象: 水槽二
受控变量: 水槽二的液位
操纵变量: 进入水槽一的流量
扰动变量: 影响被控变量的各种扰动
测量变送环节 : 把水槽2的液位测量出来并转化为4-20mA
标准
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电流信号的液位变送器
控制器: A3000中的PID调节器
执行器:电动调节阀
[实验步骤]
一、对象特性测试（水箱特性和电动调节阀的流量特性）
（1）在A3000-FS实验设备上，打开阀门JV201、JV205,调节下水箱闸板开度15mm，其余阀门关闭，构成双容的单回路液位控制。检查所有的测量原件和接线及其他原件均无误后，再进行下面的操作。
（2）开启电动调节阀到一定开度， 防止泵出口压力过高。
（3）打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。
（4）启动计算机组态软件，进入实验系统选择“双容水箱液位单回路控制实验”。
（5）调节阀特性测试：
将调节器的调节方式设置为手动，按照下表将调节阀至于不同的开度，记录在其不同开度下的输入流量的变化
实验数据记录如下:
调节阀控制信号（%）
流量（%）
10
0.2
15
1.7
20
5.4
25
8.9
30
11.8
35
14.1
40
16
45
17.5
50
18.7
55
19.8
60
20.9
65
21.8
70
22.5
75
23.1
80
23.5
85
23.9
90
24.1
95
24.3
100
24.5
根据记录的数据作出特性曲线如下：
从特性曲线上可以得出：该调节阀的特性是快开特性
y= -0.004037*x^2 + 0.7055*x + -6.58（Y是流量，X是阀门开度）
拟合后曲线图：
（6）中水箱液位特性测试：
实验条件：闸板开度15mm，电动调节阀控制信号由50%到60%变化
实验数据见【附2_中水箱特性.xls】
滤波前中水箱液位随时间的变化曲线：
采用matlab进行滤波（每11值进行平均，滤波程序见附录）：
滤波后中水箱液位随时间的变化曲线：
滤波后液位和流量随时间的变化曲线：
使用matlab进行中水箱特性拟合结果：
General model Exp1:
f(x) = a*exp(b*x)
Coefficients (with 95% confidence bounds):
a = 1 (fixed at bound)
b = -0.01632 (-0.01657, -0.01608)
Goodness of fit:
SSE: 0.1666
R-square: 0.9894
Adjusted R-square: 0.9894
RMSE: 0.02879
1-h(t)/K=exp(-0.01632*t)
即-1/T=-0.01632
解得T=61.450980392157
由于流量的阶越不是理想阶越，其经历的时间大约为10S，所以对象特性的时滞计算无意义，设为零
对象模型：
G(s)=2.888368/(1+61.3*s)
（7）下水箱液位特性测试：
实验条件：闸板开度15mm，电动调节阀控制信号由50%到60%变化
1、流量阶越变化下，下水箱液位的变化曲线：
2、滤波前后下水箱阶跃响应曲线（粗线为滤波后的曲线）：
用matlab进行下水箱特性拟合：
求得：
K=2.373246647 T=46.926
则对象的特性为：
G2(s) = 2.373246647/ (1+46.93*s)
下图为实际的阶跃响应特性曲线和拟合的阶跃响应曲线对比，拟合效果较好
（8）单回路系统整体特性测试：
实验条件：闸板开度15mm，电动调节阀控制信号由50%到60%变化
1、实际液位和流量随时间的变化曲线：
2、滤波后系统液位随时间的变化曲线：
1、理论上双容对象的单位阶越响应为：
K*(1+(-T2*exp(-t/T2)+T1*exp(-t/T1))/(T2-T1))
使用matlab进行整体的特性测试
得到对象特性为H(s)/Qi(s)= 2.467/((1+56.85*s)(1+60*s))
拟合的单位阶越响应曲线和实际的单位阶越响应曲线如下，
效果较好
二、调节器PID参数整定
（1）按照图2.3接线，选择反作用控制器
首先将下水箱液位4~20mA信号输出线连接到内给定PID智能调节器的4~20mA输入端。将智能PID的4~20mA输出端连接到电动调节阀的4~20mA输入端。
调节器的正反作用选择：电磁阀为电开阀，调节器为反作用；反之，调节器是正作用.（假设下水箱的液位升高，导致调节器的输入信号增大，为使水位保持在给定值，需将电动调节阀开度减小，减小流量。因此若为电开阀，控制器输出信号减小，控制器为反作用；若为电关阀，控制器输出信号应该增大，控制器为正作用。）
由于实际为电开阀的，所以控制器选择反作用。
图2.3 接线示意图
（2）在A3000-FS上，打开阀门JV201、JV205,调节下水箱阀板开度 15mm，其余阀门关闭，构成双容的单回路系统。检查所有的测量原件和接线及其他原件均无误后，再进行下面的操作。开启电动调节阀到50%开度， 防止憋泵。
（3）打开A3000电源。在A3000-FS上，启动右边水泵。
（4）启动计算机组态软件，进入实验系统选择“双容水箱液位单回路控制实验”。
（5）将调节器的调节方式设置为手动
（6）设置调节器的设定值，手动调节调节器的输出使水槽2液位在50%附近，即水箱液位稳定在设定的值附近。
（7）将调节器的运行方式由手动切换到自动，确定是无扰动切换。
（8）将调节器Sp值设置为50%,比例度=200%，积分时间最大，微分时间=0（比例系数指的是0%——100%的比例带）待系统液位曲线稳定后开始
【用衰减曲线法整定调节器参数】：
将比例度从50%变化到15%，SP（黄色曲线）由25%变化到32%时 得到PV（红色曲线）震荡曲线如下：
比例度从15%变化到14%，SP由32%变化到25%是PV振荡曲线，得到PV 4:1衰荡曲线：
根据上述振荡曲线和数据得出：
δ=14，T=125s
衰减曲线法整定调节器参数如下：|
比例度δ%
积分时间Ti（s）
微分时间Td(s)
P
δS
14
PI
1.2δS
16.8
0.5TS
62.5
PID
0.8δS
11.2
0.3TS
37.5
0.1TS
12.5
A． PI作用对系统的整定：
将整定参数δS =16.8% ， T=62.5s设置到调节器中，
使用matlab仿真时，simulink连接图如下：
当SP 由25%变化到30%，PI的整定曲线
下面是仿真结果：
由于调节阀是快开特性而模型中采用的线性阀，其增益为实际阀的平均增益，所以模型略有失配
我们发现过渡过程的曲线不满足控制品质的要求,因此对PID参数稍作调整，使得δS =16.8% ，T=80s，SP 由30%变化到25% 时
PI整定曲线：
仿真曲线：
再进行参数调整，使得δS =18% ， Ti=80s，当SP 由25%变化到30%时
PI整定曲线；
仿真曲线：
此时，过渡过程的曲线满足控制品质的要求，因此PI作用的参数为：
δS =18% ， Ti=80s
B．PID作用对系统的整定：
设置调节器的参数为：δS =11.2% ，Ti=37.5s， Td=12.5s ，
应用simulink仿真连接如下：
当sp由30%变化到25%时，PID整定曲线：
仿真曲线：
从过渡过程曲线中，我们发现它不满足控制品质的要求，从而对PID参数稍作调整，使得δS =15% ，Ti=40s， Td=10s 当sp由25%到30%时
PID整定曲线：
仿真曲线
此时，过渡过程的曲线满足控制品质的要求，因此PID作用的参数为：
δS =15% ，Ti=40s， Td=10s
控制性能分析：
采用PI调节作用后，双容液位控制系统可以消除余差。在比例度不变的情况下，Ti越小，积分作用和控制作用越强，最大偏差越小，系统的稳定性就越差。
采用PID调节作用后，由于D的超前调节作用，提高了系统的稳定性，同时由于D作用是根据偏差的变化趋势调节的，反应迅速及时。
第三章 液位-液位串级双容液位控制系统
[实验原理]
串级调节系统，是由两个控制器组成，一个控制器的输出作为下一个控制器的设定值，两个控制器各有自己独立的测量输入，只有主控制器有独立的设定值，只有副控制器的输出传送给被控变量。
在串级调节系统中，由两个被控量，即主控量与被控量。副回路是由副控制器、调节阀、中水箱、测量电路所构成的，作用迅速，可迅速克服进入其的干扰，副回路的引入也改变了主回路的响应速度，从而改变整体的控制品质。
下水箱是主控对象，水需要经过中水箱才能进入下水箱，时间常数比较大。如图所示，设计好下水箱和中水箱的串级控制系统。将主调节器的输出作为副调节器的给定值，而副调节器的输出控制执行器。由上分析，副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例控制或比例积分控制，反作用，自动。
反复调试，使中水箱的液位快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待液位稳定后，通过水泵向中水箱小流量注水，加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。如果扰动比较大或参数并不理想，虽经过副回路的校正，还将影响主回路，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述干扰。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位的影响较小。
[串级控制系统方框图]：
图3.1 串级控制系统方框图
[串级控制系统工艺流程图]：
【设计说明】
主控变量：下水箱液位
副控变量：中水箱液位
副对象：中水箱
主对象：下水箱
主控制器：内给定PID控制器
副控制器：外给定PID控制器
副回路：处于串级控制系统内部的，由外给定PID控制器和中水箱组成的回路。
主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出信号为输入，以副变量为输出信号的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
[系统投运]
（1） 将主调节器的给定值设定为内给定方式，副调节器的给定值设为外给定方式。
（2） 手动调节副控制器输出，控制调节阀开度，使生产处于要求的工况（中水箱液位在固定值附近），然后调节主控制器的输出，使得副控制器的偏差为0，然后将副控制器由手动切到自动。
（3） 调节主控制器的手动输出，当主变量接近设定值时，将主调节器切入自动
[实验步骤]
调节器PID参数整定
（1）A3000-FS系统连线如下：
将下水箱液位信号的输出连接到内给定PID的输入端口中，内给定数字PID控制器的输出连接到外给定PID的外给定4-20mA输入中，中水箱的液位信号输入至外给定数字PID控制器4-20mA输入端口，外给定数字PID控制器输出至电动调节阀输入端口。
在A3000-FS上，打开手动调节阀JV201、JV205,调节中水箱、下水箱闸板具有一定开度（15mm），其余阀门关闭。
（2）在A3000-FS上，启动右边水泵，给中水箱注水。
（3）PID参数整定
两步整定法：
1 先整定副环。在主、副回路均闭合，主、副调节器均为纯比例作用
条件下，将主控制器的比例度置为100％，按单回路整定法整定副回路，得到副回路在满足4：1衰减下的副控制器的比例度
和工作周期
。（此时主回路应断开）
2 在副控制器的比例度为
的条件下，逐渐减小主控制器的比例度，直到得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度
和工作周期
3 根据前面得到的
、
、
、
，利用衰减曲线法的计算公式，计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
4 将计算出的控制器参数加到控制器上，看是否满足要求，如不满足，则做适当的调整。
下表计算出调节器的参数：
副控制器整定表：
比例度δ%
积分时间Ti
微分时间Td
P
PI
1.2
0.5
PID
0.8
0.3
0.1
主控制器整定表：
比例度δ%
积分时间Ti
微分时间Td
P
PI
1.2
0.5
PID
0.8
0.3
0.1
首先整定副控制器：
（蓝色的线为中水箱液位，红色的线为下水箱液位，粉红色的线为副控制器输出值，即电动调节阀信号，黄色的线为主控制器给定值）
主回路处于手动状态，副回路自动状态，比例度
=15%，主回路调节输出，即副控制器的给定值由31%到36%的阶跃变化下，中水箱液位的变化曲线：
此后我们进行了多次整定实验，从实验结果中我们得出：
副回路无法得出4：1衰减振荡的曲线，所以主回路切入手动状态，
根据经验我们取单回路PI控制作用的参数：
=18% Ti=80s，直接整定主回路，此时在副回路给定值由30%到25%的阶跃，
副回路阶跃响应为：
整定主控制器
主控制器比例度34%，sp 30%到35%的阶跃，图像如下：
主控制器参数整定如下（
=34% T=300s）：
比例度δ%
积分时间Ti
微分时间Td
P
34
PI
1.2
40.8
0.5
150
PID
0.8
27.2
0.3
90
0.1
30
PI作用调节：
给主调节器参数为
=40.8 Ti=150
当SP从35%变化到30% 得到曲线变化为：
仿真连接图 如下：
仿真图片如下：
红色：中水箱液位 浅蓝色：下水箱液位 黄色：信号阶跃
我们发现过渡过程的曲线满足控制品质的要求，所以参数设置合理。
PID作用调节：
给主调节器参数为
=27.2 Ti=90s Td=30s
仿真连接图如下：
当SP从30%变化到35% 得到曲线变化为：
仿真图像如下：
红色：中水箱液位 浅蓝色：下水箱液位 黄色：信号阶跃
我们发现过渡过程的曲线不满足控制品质的要求，所以对参数稍作调整。
使PID 主控制器比例度改为40%
SP 从35%变化到30% 得到曲线变化为：
Simulink连接图相同
仿真图像如下：
红色：中水箱液位 浅蓝色：下水箱液位 黄色：信号阶跃
我们发现过渡过程的曲线不满足控制品质的要求，所以对参数稍作调整。
使PID 主控制器比例度改为50%
SP 从30%变化到35% 得到曲线变化为：
Simulink连接图相同
仿真图像如下：
红色：中水箱液位 浅蓝色：下水箱液位 黄色：信号阶跃
我们发现过渡过程的曲线满足控制品质的要求，所以参数设置合理。
控制性能分析：
（A）由于副回路的快速作用，可迅速克服进入副回路的干扰，故选用PI作用可以进行有效的调节
（B）引入副回路减小了副对象的相位滞后，从而改善了主回路的响应速度，这对克服进入主副回路的干扰都是有利的
（C）串级控制系统改善了系统的鲁棒性
（D）副回路可按主回路的要求对副变量进行精确的控制
（E）由于该串级系统有较大的滞后，故可以采用PID作用进行有效的调节
第四章 前馈-反馈双容液位控制系统设计
[实验原理]
前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，与被调量发生偏差之前使两者抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制。其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈系统，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动使用。
如果支路二出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第一个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。（水泵一所在支路为支路一，水泵二所在支路为支路二）
如果没有反馈，就是开环控制，这个控制是有余差的。增加反馈通道，使用ＰＩ进行控制。
前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Ｑｕ＝ｄＦ。
两个流量的和要保持稳定，有两个条件，一是准确知道第二个支路的流量，二是准确知道开度对应的流量关系。
【工艺流程图】
图3.1 工艺流程图
(设法保持下水箱液位稳定，使用两个水泵注水，其中一个作为干扰)
[控制系统方框图]
图3.2 控制系统方框图
【设计说明】
受控对象：下水箱
受控变量：下水箱液位
操纵变量：进入中水箱的流量
干扰变量：进入中水箱的流量
前馈控制：根据进入中水箱的流量扰动控制进入中水箱的流量
反馈控制：根据下水箱液位来进行反馈调节
测量变送环节 : 把水槽2的液位测量出来并转化为4-20mA标准电流信号的液位变送器
控制器: A3000中的PID调节器
执行器：电动调节阀
【实验步骤】
本实验只使用Matlab进行仿真，仿真结果如下：
Simulink仿真图：
主回路采用4：1衰减曲线法整定时的主回路比例度为8.5%，积分时间71s，同时副回路的比例度30%，积分时间30s，据此填写下表：
整定方法
δS比例度（%）
Ti积分时间（s）
Td微分时间（s）
P
8.5
PI
10.2
35.5
PID
6.8
21.3
7.1
Simulink仿真图
一、主控制为比例作用
1、没有前馈时对干扰的响应：
根据上图可以看出此时的回路振荡较大，出现了1%的余差
2、有前馈时对干扰的响应：
由图可见此时主回路能够克服扰动，最大动态偏差显然比无反馈时小很多
二、主控制为比例积分作用
Simulink仿真图：
1、没有前馈时对干扰的响应：
主回路虽然可以克服偏差，但有较大的最大动态偏差，而且回复时间较长
2、有前馈时对干扰的响应：
超调量减为原来的一半一下，回复时间减少
三、主控制为比例积分微分作用
Simulink仿真图
1、没有前馈时对干扰的响应：
从开始到稳定的时间较长（约300s），最大动态偏差较大
2、有前馈时对干扰的响应
回复时间从开始到稳定的时间减少（约100s），最大动态偏差减少
控制性能分析：
A.从前馈控制的角度，由于反馈，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可对未作前馈补偿的干扰进行校正
B．从反馈的角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大的减少了反馈的负担
附录:
1、Matlab滤波函数 lvbo.m
function y =lvbo(x)
N=length(x);
y=zeros(1,N);
for i=1:N
if (i<6)
for j=1:i
y(i)=y(i)+x(j);
end
y(i)=y(i)/i;
end
if(i>N-5)
for j=0:1:10
y(i)=y(i)+x(i-j);
end
y(i)=y(i)/11;
end
if(i>=6&i<=N-5)
for j=1:5
y(i)=y(i)+x(i+j)+x(i-j);
end
y(i)=y(i)+x(i);
y(i)=y(i)/11;
end
end
参考文献
[1] 《反馈控制系统设计与分析-matlab语言应用》 清华大学出版社
薛定宇 2000年5月
[2] 《过程控制工程》 中国石化出版社 蒋慰孙等
[3] 《Excel VBA应用开发》 科学出版社 夏强 2006年3月
[4] 《Visual Basic程序设计与上机实验指导》 华东理工大学出版社 张玉生 2006年1月
[5] 《精通SIMULINK系统仿真与控制》 沈辉 北京大学出版社 2003年1月
[6] 《MATLAT/SIMULINK与控制系统仿真》 王正林等 电子工业出版社 2005年7月
浙公网安备 33021202002483