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1、武汉理工大学华夏学院过程控制系统课程设计工业被控控过程建建模与控控制器参参数的工工程整定定1 选题题背景和和设计任任务1.1选选题背景景过程控制制是自动动技术的的重要应应用领域域，它是是指对液液位、温温度、流流量等过过程变量量进行控控制，在在冶金、机机械、化化工、电电力等方方面得到到了广泛泛应用。尤尤其是液液位控制制技术在在现实生生活、生生产中发发挥了重重要作用用。锅炉炉汽包液液位的控控制，如如果锅炉炉内液位位过低，会会使锅炉炉过热，可可能发生生事故。在在这些生生产领域域里，基基本上都都是劳动动强度大大或者操操作有一一定危险险性的工工作性质质，极容容易出现现操作失失误，引引起事故故，造成成厂家
2、的的的损失失。可见，在在实际生生产中，液液位控制制的准确确程度和和控制效效果直接接影响到到工厂的的生产成成本、经经济效益益甚至设设备的安安全系数数。所以以，为了了保证安安全条件件、方便便操作，就就必须研研究开发发先进的的液位控控制方法法和策略略。由于工业业生产过过程复杂杂多样，因因此，在在设计工工业生产产过程控控制系统统时，首首先必须须花大量量的时间间和精力力去了解解该工业业生产过过程的基基本原理理、操作作过程和和过程特特性，这这是设计计和实现现一个工工业生产产过程的的首要条条件。要实现过过程自动动控制，还还需要对对整个工工业生产产过程的的物料流流、能源源流和生生产过程程中的有有关状态态进行准
3、准确的测测量和计计量。根根据测量量得到的的数据和和信息，用用生产过过程工艺艺和控制制理论知知识来管管理和控控制该生生产过程程。MBATTLA软软件是一一款进行行高效工工程计算算、数据据分析与与可视化化编程、系系统仿真真、科学学和工程程绘图等等功能强强大的优优秀软件件。能够够用于系系统建模模和仿真真，方便便用于系系统参数数整定。1.2设设计任务务 工工业生产产过程的的扰动作作用使得得生产过过程操作作不稳定定，从而而影响工工厂生产产过程的的经济效效益。过过程控制制的任务务就是使使生产过过程达到到安全、平平稳、优优质、高高效。作作为自动动化最根根本的目目标应是是使生产产过程安安全并平平稳的运运行。
4、本本课程设设计是工工业被控控过程建建模与控控制器参参数的工工程整定定，主要要是针对对单容储储液槽的的水位平平衡进行行机理建建模。本本设计要要求完成成如下两两个大的的设计任任务，分分别是：1）对某某一工程程对象进进行机理理建模，应应用MAATLAAB软件件对给定定的工程程数据进进行工程程测试建建模。2）对所所建立的的被控对对象（广广义）数数学模型型，应用用MATTLABB软件，建建立闭环环控制系系统模型型，并进进行工程程整定的的仿真。最最终给出出仿真结结果和结结论。2设计方方案2.1建建模的一一般方法法建立被控控过程数数学模型型的方法法一般有有：机理理建模、试验建模、混合建模。机理建模模是根据据
5、对象或或是生产产过程的的内部机机理，写写出各种种有关的的平衡方方程，如如物料平平衡方程程、能量量平衡方方程、动动量平衡衡方程以以及某些些设备方方程、化化学反应应定律等等，从而而得到对对象的数数学模型型。这类类模型通通常称为为机理模模型。这这种方法法建立的的模型的的最大优优点是具具有非常常明显的的物理意意义，模模型具有有很大的的适应性性，便于于模型参参数的调调整。试验建模模是在机机理建模模难以建建立的情情况下，可可以采用用试验建建模的方方法得到到对象的的数学模模型。试试验建模模针对所所要研究究的对象象，人为为地施加加一个输输入作用用，然后后用仪表表记录表表征对象象特性的的物理量量随着时时间变化化
6、的规律律，得到到一系列列的试验验数据或或者是曲曲线。通通过对曲曲线的分分析获得得必要的的规律信信息。混合建模模将机理理建模和和试验建建模结合合起来就就是混合合建模。混混合建模模是一种种比较实实用的方方法，它它先由机机理分析析的方法法提出数数学结构构模式，然然后对其其中某些些未知的的或不确确定的参参数利用用试验的的方法予予以确定定。2.2控控制体统统参数的的工程整整定方法一：经验法法：根据据经验和和先验知知识确定定一组参参数，然然后根据据各参数数的影响响，调整整参数，直直至满意意为止。由由于我们们经验和和先验知知识不足足，所以以本次设设计中不不使用此此方法。方法二：临界比比例度（带带）法：比例度
7、度（带）(%)：与比例系数Kc成反比关系。这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使控制器工作在纯比例，使系统的输出响应情况下，将比例带由大逐渐变小(对应的比例系数Kc由小逐渐变大)呈现等幅振荡。等幅震荡的波形及相关参数的获取如图2.1所示：图2.11 等幅幅震荡波波形图临界比例例度法整整定经验验公式如如表1所所示，最后对对参数进进行微调调，直到到动态过过程满意意为止。表1 临临界比例例度法整整定经验验公式Ti(SS)Td(SS)P2SPI2.2STS/11.2PID1.6S0.5TTS0.1225TSS方法三：衰减曲曲线法：在闭环环系统中中，先把把控制器器设置为为纯比例例作用，
8、然然后把 比例带带由大逐逐渐减小小(对应的的比例系系数Kcc由小逐逐渐变大大)，加阶阶跃扰动动观察输输出响应应的衰减减过程，直直至出现现4:11衰减过过程为止止，如图图2.22所示。图2.22加阶跃跃扰动的的输出曲曲线这时的比比例带称称为4:1衰减减比例带带，用S表示之之。相邻邻两波峰峰间的距距离称为为衰减周周期TS，记录S和TS。按表22所示经经验公式式整定。最后对对参数进进行微调调，直到到动态过过程满意意为止。表2衰减减曲线法法相关参参数的整整定（%）(S)(S)PPI1.20.5PID0.80.30.1 方法四：响应曲曲线法：其控制制原理图图如图22.3所所示。图2.33 响应应曲线法法
9、控制原原理图令控制器器的输出出为幅度度为x00,的阶阶跃信号号，则对对象经测测量变送送器后的的输出YY（t）， 由该图图可确定定、T和 Kcc。相关参参数的确确定如图图2.44所示。图2.44 输出出波形及及相关参参数的确确定通过下式式将比例例系数转转化为比比例度：利用表33所示的的经验公公式，就就可计算算出对应应于衰减减率为44:1时时控制器器的相关关参数。表3响应应曲线法法相关参参数整定定的经验验公式2.3最最佳方案案单容水箱箱液位控控制系统统主要是是实现对对液位的的控制，单单容水箱箱有两个个可以控控制的变变量，一一个进水水口的流流量，另另一个是是出水口口的流量量。通过过容积与与流量的的平
10、横方方程很容容易建立立数学模模型。所所以被控控制过程程建模采采用机理理建模。参数整定定可以选选用的方方法也较较多在本本设计中中采用临临界比例例度法进进行整定定。跟其其它的方方法相比比较，临临界比例例度法简简单快捷捷，所以以可以采采用临界界比例度度法进行行整定。3单容水水箱液位位控制系系统建模模3.1被被控对象象的解析析本设计探探讨的是是单容水水箱的液液位控制制问题。为为了能更更好的选选取控制制方法和和参数，有有必要知知道被控控对象上水箱箱的结构构和特性性。由图3.1所示示可以知知道，单单容水箱箱的流量量特性：水箱的的出水量量与水压压有关，而而水压又又与水位位高度近近乎成正正比。这这样，当当水箱
11、水水位升高高时，其其出水量量也在不不断增大大。所以以，若阀阀开度适适当，在在不溢出出的情况况下，当当水箱的的进水量量恒定不不变时，水水位的上上升速度度将逐渐渐变慢，最最终达到到平衡。由由此可见见，单容容水箱系系统是一一个自衡衡系统。图3.11 单容容水箱结结构图3.2单单容水箱箱的建模这里研究究的被控控对象只只有一个个，那就就是单容容水箱（图图2-11）。要要对该对对象进行行较好的的计算机机控制，有有必要建建立被控控对象的的数学模模型。正正如前面面提到的的，单容容水箱是是一个自自衡系统统。根据据它的这这一特性性，我们们可以用用阶跃响响应测试试法进行行建模。如图2-1，设设水箱的的进水量量为Q1
12、1，出水水量为QQ2，水水箱的液液面高度度为h，出出水阀VV2固定定于某一一开度值值。若QQ1作为为被控对对象的输输入变量量，h为为其输出出变量，则则该被控控对象的的数学模模型就是是h与QQ1 之之间的数数学表达达式。根据动态态物料平平衡关系系有 （22-1）将式（22-1）表表示为增增量形式式 （22-2）式中，、分别别为偏离离某一平平衡状态态、的增量量； CC水箱箱底面积积。 在在静态时时，=；=0；当发生生变化时时，液位位h随之之变化，阀阀处的静静压也随随之变化化，也必必然发生生变化。由由流体力力学可知知，流体体在紊流流情况下下，液位位h与流流量之间间为非线线性关系系。但为为简化起起见，
13、经经线性化化处理，则则可近似似认为与与成正比比，而与与阀的阻阻力成反反比，即即 或 （22-3）式中，为为阀的阻阻力，称称为液阻阻。将式（22-3）代代入式（22-2）可可得 （2-4）在零初始始条件下下，对上上式求拉拉氏变换换，得： （2-5）式中，TT=R22C为水水箱的时时间常数数（注意意：阀VV2的开开度大小小会影响响到水箱箱的时间间常数），KK=R22为过程程的放大大倍数。令令输入流流量=，为常量量，则输输出液位位的高度度为： (22-6)即 （22-7）当t时， 因因而有 （22-8） 当当t=TT时，则则有 （22-9）3.3 实验法法建模实验法建建模是工工具工业业过程中中输入、
14、输输出的实实测数据据进行的的某种数数学处理理后得到到数学模模型的建建模方法法。根据据给被控控过程施施加的激激励信号号和数据据分析方方法的不不同，主主要有如如下方法法：a) 时域方法法b) 频域方法法c) 统计相关关法本次设计计中使用用的是时时域发中中的阶跃跃响应曲曲线法：对处于于开环、稳稳态被控控过程，使使其输入入作阶跃跃变化，测测得被控控过程的的阶跃响响应曲线线，求出出被控过过程输入入与输出出之间的的动态数数学关系系传递递函数。要确定被被控对象象的传递递函数，可可以分两两步来做做：1 确定传递递函数的的形式一般确定定传递函函数的形形式要根根据被控控过程的的先验知知识、简简历数学学模型的的目的
15、及及对模型型的准确确性要求求拉起选选择。在在满足精精度的情情况下，尽尽量选择择低阶形形式。本本次设计计中使用用一阶模模型即可可。2 确定模型型参数根据阶跃跃响应曲曲线，求求出模型型参数。对对于一阶阶模型，此此次用切切线法来来确定。实际生产产过程的的阶跃响响应曲线线呈现如如图2所所示的SS型曲线线是最常常见的。用用切线法法确定一一阶惯性性加纯滞滞后的特特征参数数方法如如下。图3.22切线法法确定一一阶惯性性加纯滞滞后的特特征参数数在此曲线线的拐点点D处做做一切线线，它与与时间轴轴交于BB点，与与响应稳稳态值渐渐近线交交于A点点。图22中的OOB即为为对象的的滞后时时间，BCC为对象象的时间间常数
16、TT。4 控制制系统的的工业整整定4.1广广义对象象的阶跃跃响应曲曲线控制系统统的参数数整定可可以用MMATLLAB仿仿真之后后，进行行数据分分析实现现。按照表44给出的的广义被被控生产产过程的的单位阶阶跃输入入下的输输出数据据，要求求应用MMATLLAB软软件绘制制出其响响应曲线线。表4单位位阶跃输输入下的的输出数数据t(s)01020406080100140y000.20.823.65.48.8t(s)180250300400500600y11.8814.4416.6618.4419.2219.66由MATTLABB绘出的的图像如如图4.1所示示图4.11单位阶阶跃输入入下的输输出响应应曲
17、线由式，结结合图形形可得：4.2 数学模模型的参参数确定定由上分析析数学模模型的参参数的确确定用切切线法，由由MATTLANN仿真等等到的切切线如图图4.22所示。图4.22响应曲曲线的切切线图由图中所所标参数数值可以以近似得得到=333s,TT=2336s，又又有前所所得广义义对象的的传递函函数如下下：将、TT的数值值代入式式中可以以得到广广义对象象的数学学传递函函数为：4.3控控制器参参数的工工程整定定运行MAATLAAB，设设计系统统结构，通通过MAATLAAB的ssimuulinnk模块块画出仿仿真结构构图，然然后设定定仿真时时间为6600ss，积分分微分环节节设置为为零，输输入传函函
18、和延迟迟模块的的参数，之之后进行行调试仿仿真，仿仿真结构构图如图图4.33所示。图4.33 系统统仿真图图本次设计计采用临临界比例例度（带带）法。比例度度（带）(%) 与比例系数Kc成反比关系，这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0 ，使控制器工作在纯比例情况下，将比例带由大逐渐变小(对应的比例系数Kc由小逐渐变大)，使系统的输出响应呈现等幅振荡，波形如图4.4所示。图4.44 临界界比例度度法输出出响应等等幅振荡荡曲线图图由图4.3可得得，。则按按经验公公式可得得，当采采用纯比比例时，比比例系数数可得出出，将比比例器的的放大系系数改为为0.331255，在进进行仿真真得到波波形
19、如图图4.55所示。图4.55 比例例控制输输出波形形当采用PPI调节节时，由由经验公公式得,，则，将将调节器器的参数数设定为为此值，所所得波形形如图44.6所所示。图4.66比例积积分控制制输出波波形当采用PPID控控制器时时，由经经验公式式可得出出，,将控制制器的参参数设定定为此值值得到PPID调调节的波波形如图图4.77所示。图4.77 比比例积分分微分控控制输出出波形4.4控控制器的的选择通过参数数整定得得出的仿仿真图形形可以看看出：比比例控制制调节速速度较快快，过渡渡时间短短，系统统较达到到稳定。比比例积分分控制调调节速度度比比例例控制稍稍慢一点点，超调调较大，系系统达到到稳定的的时
20、间较较长。比比例积分分微风控控制调节节速度最最快，但但是超调调最大，而而且系统统稳定时时间也较较长。所以对于于单容水水箱的液液位控制制系统可可以采用用比例控控制。比比例控制制克服干干扰能力力强、控控制及时时、过渡渡时间短短。比例例控制结结构简单单，系统统稳定性性好，能能够满足足单容水水箱的液液位控制制系统的的控制要要求。5总结通过本课课程设计计加深了了对过程程控制和和自动控控制思想想的理解解，对典典型的PPID调调节有更更深刻的的认识，同同时掌握握了工业业被控过过程的建建模和控控制系统统的工程程整定的的一般方方法，提提升了对对过程控控制的兴兴趣，为为今后的的进一步步学习打打下了良良好的基基础。
21、本课程设设计主要要是两大大部分，一一个是过过程的建建模，另另一个是是参数的的整定。对对于每一一个板块块都有很很多的方方法实现现，在实实际的操操作中要要根据设设计的目目的、被被控的对对象，选选择合适适的方法法。在这这个过程程当中，对对于方案案的论证证就是一一个很重重要的环环节，它它决定了了整个课课程设计计的质量量和效率率。如果果犯了方方向性的的错误，最最后的结结果是事事倍功半半。在这次的的课程设设计中对对于MAATLAAB的应应用也很很关键，MMATLLAB是一个个很好的的建模仿仿真软件件，整个个设计的的过程MMATLLAB是是一个核核心的工工具。通通过MAATLAAB能够够很方便便的进行行数据
22、的的调试，然然后通过过相关的的经验公公式完成成数据的的整定。课程设计计除了要要达到设设计任务务的要求求之外，对对于报告告格式的的规范也也很重要要，格式式规范便便于阅读读，能体体现一个个人的治治学态度度，给人人留下好好的印象象。由于时间间原因和和个人水水平有限限，报告告中还有有不足的的地方，恳恳请老师师批评指指正。参考文献献1吴吴勤勤主主编.控制仪仪表及装装置.第二版版,北京：化学工工业出版版社，220022年.2林林德杰编编.过程控控制仪表表及控制制系统.北京:机械工工业出版版社20009年年.3高高志宏主主编.过程控控制与自自动化仪仪表.浙江，浙浙江大学学出版社社，20006年年.4王王永红主主编,过程检检测仪表表.北京：化学工工业出版版社，220055年.5施施仁刘文文江等编编.自动化化仪表及及过程控控制.第三版版，北京京：电子子工业出出版社,20003.6陈陈夕松 汪木兰兰主编.过程控控制系统统.北京京：科学学出版社社,20005.18