过程控制系统设计作业.docx
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过程控制系统设计作业
单容水箱液位控制系统设计
学生姓名 文强 学号 2212130
任课教师 陶珑
院、系、中心 专科部
专业 生产过程自动化
提交日期 2015年 10 月 日
太 原 科 技 大 学
单容水箱液位控制系统设计
摘 要
本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的设计方案，实现对水箱液位的控制。
本论文还针对每种控制系统，在Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，并且利用仿真曲线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标IAE等。
单闭环控制系统的设计包括P、I、PI和PID的设计。
本文分别通过衰减频率特性法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。
本论文还通过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计方案进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制可提高系统性能。
关键词：
PID；串级；前馈反馈；参数整定；Simulink
DesignonWaterLevelControlinaTank
Abstract
Thisthesisprovidesdesignmethodsof singleclosed-loopcontrolsystem, cascadecontrolsystem andfeedforward controlsystemaboutthecontrolledobjectasingle watertank , anditachievesthegoalofcontrollinglevel. Foreverykindofcontrolsystem, simulationmodelisestablishedbyusingsimulationtoolMatlab,simulationcurvescananalysistheperformanceof controlsystem, suchasthemaximumpercentovershoot, settlingtime, attenuationrateandIAE. Thedesignof singleclosed-loopcontrol system includesdesignsofP, I, PI andPID. Thecontrollerparameteristunedbyfrequencyresponseofattenuationrateandtheattenuationcurve.Allthe controldesignmethodsincludedarecomparedbysimulationcurvesand performanceindexesandwefinallyfindthatcascadecontrolandfeedforwardcontrol areabletoimprove system’sperformance.
Keywords:
PID；Cascade；Feedforward-feedback；Parametertuning；Simulink
1设计要求及内容
图 1 单容水箱液位控制系统
单容水箱液位控制系统如题图 1所示。
已知F=1000cm2，R=0.03s/cm2。
调节阀为气关式，其静态增益，液位变送器静态增益。
（1）画出该系统的传递方框图；
（2）对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解F、R、Kv、Km的物理意义和量纲的关系。
（3）采用单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调节器，定义性能指标，对控制性能进行评价。
（定义哪些性能指标进行评价？
）
（4）对PID参数进行整定，工程的方法和理论的方法；
（5）设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。
（6）结合实物实验撰写实验报告。
说明：
1）仿真工具采用Matlab
2）本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，但每个人都要做设计。
3）在整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。
电子版命名方法为：
学号+姓名.rar
内分2个目录：
\document用于存放文档；
\simulation用于存放仿真文件；
每次提交的时候，将整个文件夹压缩后电子邮件至limingneu@.
2单容水箱系统建模
单容水箱系统的传递方框图如所示
图 2单容水箱系统的传递方框图
在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程[5]
（2-2）
（2-1）
其中
（2-3）
（2-4）
F为水槽的横截面积，F=1000cm2；为决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，可视为常数，R=0.03s/cm2；为调节阀开度，控制水流入量，由控制器LC控制；Kv为阀门静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，所以Kv为“—”，即，可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节；液位变送器静态增益Km为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设液位变送器为线性仪表，则其可看成是一增益为 的比例环节；为扰动，其值可根据具体情况而定。
假设扰动为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为
（2-5）
式（2-5）减式（2-1）得
（2-6）
式（2-6）就是动态平衡方程式（1-1）的增量形式。
考虑水位只在其稳态值附近的小范围内变化，故可得以下近似
（2-7）
于是式（2-6）可化为
（2-8）
如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得
（2-9）
Laplace变换得：
（2-10）
假设液位的初始值为，代入数据得单容水箱系统的数学模型
（2-11）
被控对象传递函数为
（2-12）
假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图
图 3单容水箱系统传递函数方框图
3单闭环控制系统设计
3.1比例控制系统设计
图 4比例控制仿真图
（1）、理论整定方法：
广义被控对象为
令，根据频率特性法[5]整定控制器的参数得
（3-1）
则由式（3-1）解得，再由，可得到理论整定值。
（2）、工程整定方法：
采用衰减曲线法[5]
调整参数，令，得系统衰减振荡曲线
图 5系统衰减振荡曲线P=-200
y1
由系统衰减振荡曲线得
由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度、积分时间和微分时间的整定值，结果如表 1所示：
表 1衰减曲线法参数整定计算表
衰减率
整定参数
调节规律
0.75
P
-0.005
PI
-0.006
1.38
PID
-0.004
0.828
0.276
（3）、性能指标：
在t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图1所示。
将波形数据通过“ToWorkspace”输出到Matlab工作区进行计算，可得时，该比例控制系统的性能指标如下：
衰减率：
最大动态偏差：
8.0481
残余偏差：
-0.9018
调节时间：
6s
绝对误差积分IAE：
3.7569
结论：
有差控制，对小的干扰由较好的抑制作用，能够在较短的时间内达到新的稳态值。
3.2积分控制系统设计
（1）、理论整定方法：
广义被控对象为
令，根据频率特性法整定控制器的参数得
（3-2）
则由式（3-2）可解得，再由，可得到（积分速度），进而可计算出积分时间理论整定值。
（2）、性能指标：
积分控制系统仿真框图：
图 6积分控制仿真图I=-1/20
对积分控制系统进行参数整定：
；，得仿真曲线如下图所示。
由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制，但系统振荡频率低，超调量很大（约为190cm），调节时间很长（约为5000s），因此单独使用积分控制，系统性能较差。
图 7积分控制仿真图I=-1/20，Qd=0
在时加入扰动，得仿真曲线：
由图可知，系统能抑制阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。
图 8积分控制仿真图I=-1/20，Qd=5000cm3
3.3比例-积分控制系统设计
图 9PI控制仿真框图
（1）、理论整定方法：
广义被控对象为
令，根据频率特性法整定控制器的参数得
（3-3）
以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式（3-3）表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。
图中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整栋参数。
选择一组合适的、、作为控制器的整定参数。
（2）、工程整定方法：
衰减曲线法
如表1得，扰动，，得仿真曲线如下
图 10PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=0
可得
（3）、性能指标：
扰动，
图 11PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=5000cm3
对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，增大比例增益，加快系统响应速度
扰动，
图 12PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/0.01，Qd=5000cm3
由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为15s，能在较短的时间内接近稳态值
扰动，
图 13PI控制仿真曲线P=-1/0.003，I=-1/0.01，Qd=5000cm3
由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为9s，偏差减小，系统响应加快。
对应扰动，的性能指标如下：
衰减率：
最大动态偏差：
7.3368
残余偏差：
0
调节时间：
9s
绝对误差积分IAE：
3.9498
3.4比例-积分-微分控制系统设计
图 14PID控制仿真框图
（1）、理论整定方法：
广义被控对象为
令，根据频率特性法整定控制器的参数得
（3-4）
令，则式（3-4）由三个变量，以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式（3-4）表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。
图中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整定参数。
选择一组合适的、、、作为控制器的整定参数。
（2）、工程整定方法：
如表1得，，得仿真曲线如下
图 15PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=0
可得
（3）、性能指标：
扰动，
图 16PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=5000cm3
同比例积分控制，比例积分微分控制对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，减小比例带，增加微分时间，加快系统响应速度。
扰动，
图 17PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3
由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为10s，能在较短的时间内接近稳态值。
扰动，
图 18PID控制仿真曲线P=-1/0.001，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3
由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为5s，偏差减小，系统响应加快。
对应扰动，的性能指标如下：
衰减率：
最大动态偏差：
24.7026
残余偏差：
0
调节时间：
5s
绝对误差积分IAE：
2.2275
4串级控制控制方案设计
前面的单闭环控制系统设计，系统调节时间（回复时间）较长，最大动态偏差较大，单闭环控制效果不佳，而且未考虑对象的纯迟延时间。
采用串级控制可提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的影响。
下图为串级控制系统仿真框图：
图 19串级控制仿真框图
对主副调节器进行整定：
主调节器整定参数为；主调节器整定参数为；扰动，得串级控制系统仿真如下图所示：
由仿真图可知控制振荡频率低，衰减慢，系统调节时间长，最大动态偏差大，但无静差。
图 20串级控制仿真曲线Qd=0
在时加入扰动，仿真结果如下图所示，由图可知，系统能已知阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。
图 21串级控制仿真曲线Qd=5000cm3
5前馈控制方案设计
采用前馈反馈控制可在输出发生变化时，提前做出修正，减小扰动对输出的影响。
因此前馈反馈控制可以提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的影响。
如图为前馈反馈控制系统仿真方框图：
图 22前馈控制仿真框图
比值分别为RATIO1=0.9，RATIO2=0.1；延迟时间；PID控制器参数分别为；扰动，在时加入；流量变送器等效为增益为1的比例环节；设定值为16cm，得图仿真曲线如附图2所示。
将前馈断开，得仿真曲线如附图3所示，系统不稳定。
与单闭环相比，引入前馈后，在系统输出发生变化之前，前馈控制提前对扰动做出修正，减小了扰动对输出的影响。
因此，前馈控制提高了系统的稳定性，调节时间大大减小（约为2.5s），最大动态偏差减小（约为1.5cm），
6实验室水箱实验报告
6.1压力单闭环实验
6.1.1实验目的
通过实验掌握压力单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。
6.1.2实验内容
（1）采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数的有效性；
（2）采用调节器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。
调节器的参数设置如下：
参数
说明
Sn=33
1-5V电压输入
Dip=0
小数点位数为0
Dil=0
输入下限显示值
Dih=100
输入上限显示值
Opl=4
输出4-20mA电流
CF=2
调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入
Run=1
自动调节，允许手动设置
6.1.3实验仪器
PCT-型过程控制系统实验台
6.1.4实验步骤
压力单闭环控制系统框图：
图 23压力单闭环系统控制框图
（1）连接实验导线，将阀门V7，V10打开；
（2）接通总电源，各仪表电源。
将PCT-面板上的双掷开关掷到外控端；
（3）整定参数值的计算值；
（4）将计算所得的PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。
加入扰动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止；
（5）曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理。
（6）采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理。
6.1.5实验结果
本实验所用调节器为808模糊控制器（手动/自动输出），其给定值为818PID控制器（手动/自动输出）的输出。
将808模糊控制器的设定值设置为某一值，再令CtrL=2，系统进入自整定状态，几秒钟后，测量值稳定在控制器的设定值上。
6.2液位单闭环实验
6.2.1实验目的
通过实验掌握液位单回路控制系统的构成。
学生可自行设计，构成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。
6.2.2实验内容
（1）采用采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数的有效性；
（2）采用调节器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。
调节器的参数设置如下：
参数
说明
DF=3
回差值
Sn=33
1-5V电压输入
Dip=0
小数点位数为0
Dil=0
输入下限显示值
Dih=450
输入上限显示值
Opl=4
输出4-20mA电流
CF=2
调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入
Run=1
自动调节，允许手动设置
6.2.3实验仪器
PCT-型过程控制系统实验台
6.2.4实验步骤
液位单闭环控制系统框图：
图 24液位单闭环系统控制框图
（1）连接实验导线
（2）使水泵工作在恒压供水状态
（3）接通总电源和仪表电源
（4）将阀门V2、V10、V7打开，其余阀门关闭
（5）整定参数值的计算
（6）将计算所得的PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。
加入扰动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止
（7）曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理
（8）采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理
6.2.5实验结果
818PID控制器为液位单闭环的调节器，808模糊控制器为压力单闭环的调节器。
液位单闭环818PID控制器的输出为压力单闭环的设定值，当其输出值发生变化时，相当于给压力单闭环一个扰动。
令808的CtrL=2，在控制阀开度变化时，其测量值仍能很快地跟随其设定值。
设置818PID控制器的P、I、D值，刚开始时，系统超调量较大，达到80%左右，振荡频率低，调节时间很长。
为此，需修改P、I、D值，改善系统性能，减小比例带P，减小积分时间I，增大微分时间D。
经过多次调整，最终系统性能达到了较好的状态。
6.3上水箱液位和流量组成串级实验
6.3.1实验目的
通过实验掌握串级控制系统的基本概念；掌握串级控制系统的结构组成；掌握串级控制系统的特点；掌握串级控制主、副回路的选择；掌握串级控制系统参数整定；掌握串级控制系统参数投运方法；了解串级控制系统对进入副回路和主回路扰动的克服能力。
6.3.2实验内容
（1）设计串级控制系统的方案
（2）设计串级控制的主、副控制器
（3）串级控制系统参数整定
（4）抗干扰试验，分别将干扰加于主回路和副回路，观察并记录控制效果，并进行分析
（5）对比实验，于单回路液位控制系统的控制效果进行对比
调节器的参数设置如下：
主调节器参数
说明
副调节器参数
说明
DF=3
回差值
DF=3
回差值
Sn=33
1-5V电压输入
Sn=32
1-5V电压输入
Dip=0
小数点位数为0
Dip=0
小数点位数为0
Dil=0
输入下限显示值
Dil=0
输入下限显示值
Dih=450
输入上限显示值
Dih=100
输入上限显示值
Opl=4
输出4-20mA电流
Opl=4
输出4-20mA电流
CF=2
调节器反作用、有上
电免除报警功能、无
外部输入
CF=8
调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入
Run=1
自动调节，允许
手动设置
Run=2
自动调节，禁止
手动设置
6.3.3实验仪器
PCT-型过程控制系统实验台
6.3.4实验步骤
串级控制系统方框图：
图 25串级控制系统方框图
（1）选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量
（2）选择主被控参数、副被控参数、打开手动阀门V2、V7、V10
（3）选择主副控制器，在恒压供水条件下工作，按事先设计的实验接线图将实验导线接好
（4）实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。
待系统稳定后再整定主回路液位系统，最后串在一起整定
（5）待系统稳定后，上水箱液位加个给定，观察计算机上流量和液位的曲线的变化，并保存此曲线
（6）系统稳定后，分别在主副回路加个干扰信号，然后观察计算机上历史曲线的变化
6.3.5实验结果
与液位单闭环控制系统相比较，串级控制系统对流量扰动的抑制大大增强，使其对主参数的影响大大减小。
因而串级系统的调节时间（回复时间）减少，最大动态偏差减少。
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
6.4前馈反馈控制实验
6.4.1实验目的
通过设计前馈反馈控制系统实现高精度的液位控制，掌握前馈反馈控制系统的结构组成，前馈量的选择，控制参数的整定等方法。
6.4.2实验内容
（1）用实验的方法测试液位和流量的动态特性
（2）确定扰动通道的传递函数、对象控制通道的传递函数
（3）用比值器实现静态前馈、前馈反馈的控制系统
（4）整定前馈反馈控制系统参数
（5）分析简单控制系统与前馈反馈控制系统控制质量
调节器的参数设置如下：
反馈调节器参数
说明
DF=3
回差值
Sn=33
1-5V电压输入
Dip=0
小数点位数为0
Dil=0
输入下限显示值
Dih=100
输入上限显示值
Opl=4
输出4-20mA电流
CF=2
调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入
Run=1
自动调节，允许手动设置
6.4.3实验仪器
PCT-型过程控制系统实验台
6.4.4实验内容
前馈反馈控制系统方框图：
图 26前馈反馈控制系统方框图
（1）设计控制方案
（2）计算比值系数
（3）完成恒压供水系统接线
（4）完成比值控制系统接线
（5）将阀门V2、V3、V9、V10、V7打开，其余阀门关闭
（6）接通总电源和各仪表电源
（7）调节PCT-面板上电位器K1可改变主副流量的比值，比值的范围是0.1~1倍
（8）控制系统的参数整定，控制器的参数整定可按单回路或串级控制系统的整定方法进行。
由于流量变化速度快，调节器不能整定出比较合理的参数，需根据曲线来人工调整
（9）系统稳定后，改变主回路流量的大小，观察副回路流量的变化
（10）观察计算机上历史曲线的变化，记录并处理历史曲线
（11）改变比例器的比例系数，观察流量的变化
6.4.5实验结果
与液位单闭环相比较，前馈反馈控制系统调节时间（回复时间）减少，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。
7总结
经过为期将近一个学期的设计，过程控制系统的这份大作业——单容水箱液位控制系统设计，终于将要画上句号了。
通过做这份作业，我们能够将课本上的知识加以更好地加以消化和巩固，将理论和实际相结合。
通过计算机仿真，我们对抽象的过程控制理论知识有了直观的认识和理解。
通过这次作业，我掌握了简单控制系统的建模过程和方法，掌握了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的特点及应用场合，掌握了运用频率特性法和衰减曲线法整定PID控制器的参数。
单闭环的控制性能较差，超调量大，调节时间长，但实现起来简单，PID参数整定较简单；串级控制的控制性能比单闭环好，能够减小超调量，减小调节时间，能够快速的抑制内环内的扰动，提高系统的抗干扰能力，但串级系统参数整定较复杂；前馈反馈控制的控制性能也比单闭环好，能够在扰动影响系统输出之前对调节器的输出做出修正，减小扰动对输出的影响。
当然，我所设计的控制系统还存在许
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