过程控制系统综合设计报告.docx
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过程控制系统综合设计报告
过程控制系统综合设计报告
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一、实验目的与要求
1．掌握DDC控制特点；
2．熟悉CS4100实验装置，掌握液位控制系统和温度控制系统构成；
3．熟悉智能仪表参数调整方法及各参数含义；
4．掌握由CS4100实验装置设计流量比值控制、液位串接控制、液位前馈反馈控制及四水箱解耦控制等设计方法；
5．掌握实验测定法建模，并以纯滞后水箱温度控制系统作为工程案例，掌握纯滞后水箱温度控制系统的建模，并用DDC控制方案完成控制算法的设计及系统调试。
以水箱流量比值控制、水箱液位串接控制、水箱液位前馈反馈控制及四水箱解耦控制为被被控对象，完成系统管路设计、电气线路设计、控制方案确定、系统调试、调试结果分析等过程的训练。
以纯滞后水箱作为被控对象，以第二个水箱长滞后温度作为被控量，完成从实验测定法模型建立、管路设计、线路设计、控制方案确定、系统调试、结果分析等过程的训练。
具体要求为：
1）检索资料，熟悉传感器、执行器机械结构及工作原理。
2）熟悉CS4100过控实验装置的机械结构，进行管路设计及硬件接线；
3）掌握纯滞后水箱温度控制系统数学模型的建立方法，并建立数学模型；
4）掌握智能仪表参数调节方法；
5）进行控制方案设计，结合具体数学模型，计算系统所能达到性能指标，并通过仿真掌握控制参数的整定方法；
6）掌握系统联调的步骤方法，调试参数的记录方法，动态曲线的测定记录方法。
记录实验数据，采用数值处理方法和相关软件对实验数据进行处理并加以分析，记录实验曲线，与理论分析结果对比，得出有意义的结论。
7）撰写实验设计报告、实验报告，具体要求见：
（五）实践报告的内容与要求。
二、实验仪器设备与器件
1.CS4100过程控制实验装置
2.PC机（组态软件）
3.P909智能仪表若干
三、实验原理分析
3.1系统建模综述
3.1.1系统建模的概念
工业过程的数学模型分为动态数学模型和静态数学模型。
动态数学模型是输出变量与输入变量之间随着时间而变化的动态关系的数学描述。
从控制的角度看，输入变量就是操纵变量和扰动变量，输出变量就是被控变量。
静态数学模型是输入变量与输出变量之间不随时间变化情况下的数学关系。
工业过程的静态数学模型用于工艺设计和最优化等，同时也是考虑控制方案的基础。
工业过程的动态数学模型则用于各类自动控制系统的设计和分析，用于工艺设计和操作条件的分析和确定。
在工业过程控制中，建立被控对象的数学模型的目的主要有：
（a）进行工业过程优化操作；
（b）控制系统方案的设计和仿真研究；
（c）控制系统的调试和控制器参数的整定；
（d）作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型；
（e）工业过程的故障检测与诊断。
对工业过程数学模型的要求随其用途不同而不同，总的说是简单且准确可靠。
但这并不意味着越准确越好，应根据实际应用情况突出适当的要求。
如在线运用的数学模型还有实时性的要求，它与准确性要求往往是矛盾的。
要想建立一个好的数学模型，需掌握三类主要的信息源：
（a）要确定明确的输入量与输出量
（b）要有先验知识
（c）试验数据
3.1.2系统建模的常用方法
一个控制系统设计得是否成功与被控对象数学模型建立的准确与否很有关系。
建立被控对象的数学模型一般可采用多种方法，大致可以分为机理法和测试法两类：
（a）机理法建模
用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程如：
物质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程以及反映流体流动、传质、化学反应等基本规律的运动方程，特性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。
随着计算机的发展，用机理法建模的研究有了迅速的发展，可以说，只要机理清楚，就可以利用计算机建立几乎任何复杂的系统。
但考虑到模型的适用性和实时性的要求，合理的近似假定是必不可少的。
模型应尽量简单，同时保证达到合理的精度。
用机理法建模时，有时也会出现模型中某些参数难以确定的情况或用机理法建模太麻烦，这时可以用测试的方法来建模。
（b）测试法建模
测试法一般只适用于建立输入输出模型。
它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
它的主要特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。
然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。
用测试法建模一般比用机理法建模要简单和省力，尤其是对于那些复杂的工业过程更为明显。
如果机理法和测试法两者都能达到同样的目的，一般采用测试法建模。
常用的实验方法是，人为的在被控对象上加一个阶跃信号后，测定被控对象的响应曲线，然后根据响应曲线求出被控对象的传递函数。
常见的一种阶跃响应曲线为图7的S形单调曲线。
数据处理的方法很多，以下为较常用的两种。
图1S形一阶响应曲线
（1）作图法设阶跃输入幅值为
，则K可按下式求取
（1）
T、
可用作图确定，即在拐点P处作切线，它与时间轴交于A点，与曲线的稳态值渐进线交于B点。
这种作图法拟合程度较差，首先，它是用一条向右平移的抛物线来拟合S形曲线。
这在OA区间的拟合误差最大。
其次在作图中，切线的画法也有较大的随意性，而这关系T、
的取值。
但作图法十分简单，而且实践证明它可以成功地应用于PID调节器的参数整定，故应用也较广泛。
（2）两点法用作图法求取参数不够准确，这里用两点法，即利用阶跃响应曲线y（t）上的两点数据去计算T和
。
而K的值仍由式（2-1）来计算。
取两点
，其中
，计算
（2）
（3）
（4）
由式
（2）和式（3）可解得
（5）
（6）
通常为克服两点法中所取两点就是所测曲线中两点由测试带来的误差，可将测试点先平滑拟合画出响应曲线，再从平滑拟合后作图的响应曲线上取出所需两点，这样就可以减小测量误差。
3.2比值控制系统的组成原理
比值控制系统大体按其比值系数是否固定，可以分成定比值控制系统和变比值控制系统。
A、定比值控制系统
定比值控制系统可以分成：
开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统三类。
开环比值控制系统以生产中的主要物料或不可控物料为主流量，通过改变可控物料流量的办法实现它们的比值关系。
其方框图如下所示：
图2典型的开环比值控制系统框图
由于该系统的副流量
无反馈校正，因此其对自身流量无抗干扰能力。
因此，只有当副流量较平稳且流量比值要求不高的场合才可使用。
单闭环比值控制系统为了克服开环比值控制系统的弱点，在副流量对象引入了一个闭合回路，其典型的框图如下所示：
图3典型的单闭环比值控制系统框图
这类比值控制系统的优点是两种物料流量的比值较为精确，实施也比较方便，但是其对主流量
的变化无法控制。
双闭环比值控制系统既能实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，其对主流量也进行了反馈控制，它的典型组成框图如下所示：
图4典型的双闭环比值控制系统框图
这类比值控制系统的优点是在主流量受干扰作用开始到重新稳定在设定值这段时间内发挥作用，比较安全，但系统成本提高。
上述三类比值控制系统的一个共同特点是它们都以保持两物料流量比值一定为目的，比值计算器的参数经计算设置好后不再变动。
B、变比值控制系统
定比值控制的各种方案只考虑如何实现流量间的比值关系，而实际生产中，随着工况的变化，为保证产品质量需调节流量的比例关系，因此产生了变比值控制系统。
变比值控制系统是按某一工艺指标自动修正流量比值，其框图如下所示：
图5典型的变比值控制系统框图
这样系统可以根据工艺指标g自动调节流量比值。
3.3串级控制系统的组成及原理
两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。
本实验系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：
图6本实验系统的双容水箱串级控制系统框图
串级控制器术语说明：
主变量：
y1称主变量。
使它保持平稳使控制的主要目的。
副变量：
y2称副变量。
它是被控制过程中引出的中间变量。
副对象：
上水箱。
主对象：
下水箱。
主控制器：
PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值。
副控制器：
PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门。
副回路：
处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路。
主回路：
若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：
1、副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正。
2、主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度。
3、鲁棒性的增强
串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。
4、副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。
由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
3.4前馈反馈控制原理
前馈控制的基本概念是测取进入过程的干扰（包括外界干扰和设定值变化），并按信号产生合适的作用去改变操纵变量，使受控变量维持在设定值上。
典型的前馈控制系统如下图所示：
图7典型的前馈控制系统框图
前馈控制是根据被控变量不变性原理设计的，有动态不变性、静态不变性和绝对不变性等原理。
它要对被控过程有充分了解，以得到前馈控制器的数学模型，对线性系统理论上实现扰动量对被控变量“完全补偿”或“绝对不变”的算式，一般可表达为：
（7）
式中：
——前馈控制器的传递函数
——干扰通道的传递函数
——对象通道的传递函数
从理论上看，前馈调节能依据干扰值的大小，在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上。
而实际上要按（3-1）式实现完全补偿，在很多情况下只有理论意义，实际上做不到；同时，在工业对象中，存在许多扰动因素，我们只能选择一两个主要的扰动进行补偿，而其余的扰动仍会使被调量发生偏差。
前馈－反馈控制系统将前馈与反馈结合起来，选择对象中主要的一些干扰作为前馈信号，对其它引起被调参数变化的各种干扰则采用反馈调节系统来克服，从而充分利用了这两种调节作用的优点，使调节质量进一步提高。
图8本实验系统的前馈－反馈控制系统框图
如上图所示，以双容水箱为被控对象的前馈－反馈控制系统可以近似看成线性系统，因此（3－1）式同样适用于前馈－反馈控制系统。
下面根据这个“完全补偿”算式，给出前馈控制器的一般设计步骤：
1、获得双容水箱的数学模型
即计算
。
通过飞升曲线法获得双容水箱的动特性曲线，并分析获得其数学模型，具体可参见实验二
2、获得干扰通道的数学模型
即计算
。
通过飞升曲线法获得干扰通道的动特性曲线，并分析获得其数学模型。
3、计算前馈控制器的数学模型
根据（3-1）式有
（8）
至此，我们完成前馈控制器的设计。
图9前馈反馈控制接线图
3.5解耦控制原理
在某些情况下，关联可能变得非常严重，以致即使采用最好的回路配对也不会有满意的控制效果，此时就必须借助解耦控制。
解耦的本质在于设置一个计算网络，用它去抵消本来就存在于过程中的关联，以便进行独立的单回路控制。
典型的解耦控制系统如下图所示：
图10典型的解耦控制系统框图
图中F为解耦算式，这是解耦控制系统的核心，通过寻求较佳的解耦算式达到抵消对象间关联作用的效果。
四、实验步骤设计
4.1流量比值控制实验
1.实验前准备工作
A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入流量比值控制实验界面，如下图所示：
图11比值控制管路图
由上图可见，管路2流量控制器所在的控制回路为主回路，管路1流量控制器所在的控制回路为副回路。
3.投运及整定前的准备工作
将管路2和管路1控制器设置成手动，其设置方式与液位PID控制器相同。
4.整定流量主回路控制器的参数
即整定管路2的控制器参数:
A.设置控制器的PID参数
根据管路2流量的动特性，按单回路PID控制的方法整定参数，并将参数输入控制器中。
B.控制器投入运行
将控制器设置成自动，其设置方式与液位PID控制器相同。
5.设置比值参数
A.选定主回路和副回路的期望流量比值。
B.计算比值系数R。
按实验原理论述的方法进行计算。
C.输入比值控制器参数
单击实验界面中“比值控制器”标签，弹出比值控制器窗体，如下图所示：
图12
单击“参数设置”按钮，弹出比值控制器参数设置界面：
图13
通过键盘，将计算的比值系数R输入控制器界面，一般无需修改其它参数。
6.整定副回路控制器参数
即整定管路1的控制器参数：
根据管路1流量的动特性，按单回路PID控制的方法整定参数，并将参数输入控制器中。
7.组成比值控制系统
将副回路控制器——管路1控制器设置成“远端模式”，这样比值控制器的输出值作为副回路控制器的设定值。
8.查看控制效果
通过“实时趋势”和“历史趋势”窗体查看趋势曲线，根据趋势曲线，对控制效果进行评估，当达到或接近期望效果时，跳到第9步。
9.根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将副回路控制器设置成手动，跳转到第5步，继续实验。
4.2双容水箱液位串级PID控制实验
1.实验前准备工作
A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面，如下图所示：
图14串级控制管路图
3.选择控制回路
A.选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
从两个回路中任选一个。
B.组成控制回路
当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开进水阀K31，关闭其它进水阀；
当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开进水阀K41，关闭其它进水阀。
这样便构成了一个控制回路。
在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级。
4.选择控制器工作点
A.将副回路的PID控制器设成手动
单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮。
B.设定工作点
单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值。
5.调节串级的后级
A.设置PID参数
根据对象特性，设置参数并将参数输入到控制器中。
B.将控制器设成自动状态
保持模式为本地模式,单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制“自动”按钮。
6.调节串级的前级
前提：
等液位稳定后。
A.将控制器设成手动状态
单击主回路PID控制器界面的“手动”按钮。
B.设置控制的输出值
单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（Z1）的值，使其与副回路PID控制器的设定值相等。
C.设置控制器PID参数
根据对象特性并将参数输入到控制器中。
D.将控制器设成自动状态
单击主回路PID控制器的“自动”按钮。
7.串接两个PID控制器
将串级后级的PID控制器设置成“远端模式”。
此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。
8.串级PID控制器的控制效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线，根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估,当达到或接近期望效果时，跳到第9步。
9.根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据调节规律跳转到第5步，继续实验。
4.3前馈反馈控制实验
1.实验前准备工作
A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入前馈反馈控制实验界面，如下图所示：
图15前馈反馈控制管路图
3.选择控制回路
A.选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
图16
从两个回路中任选一个。
B.组成控制回路
当选择“前馈控制回路1”时，打开阀门K31，同时为引入干扰，打开阀门K32;
当选择“前馈控制回路2”时，打开阀门K41，同时为引入干扰，打开阀门K42。
4.初始化控制系统
A.将PID控制器设置成手动
先单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签，弹出PID控制器界面，然后单击PID控制器界面的“手动”按钮。
B.使前馈控制器的输出无效
单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签弹出PID控制器界面后，单击PID控制器界面的“参数设置”按钮，弹出PID控制器参数设置界面，如下图所示：
图17
单击界面中的“前馈引入标志”检查框，打勾表示选中，空白表示未选中，这里不选中。
C.设置管路2的输出为零
单击实验界面上的“设置U2”按钮，在弹出的设置界面中，通过键盘将U2阀度设为零。
5.设置PID控制器参数
根据对象特性，设置PID控制器参数,并通过键盘输入到控制器参数设置界面中。
6.设置前馈控制器参数
A.计算前馈控制器的数学模型
按实验原理部分描述的方法进行计算,期望表达式为:
（9）
模型参数为：
、
、
和
。
B.输入控制器的模型参数
单击实验界面中相应控制回路的前馈控制器标签，弹出前馈控制器界面，如下图所示：
图18
通过键盘，输入模型参数
7.PID控制器投入运行
将PID控制器设置成自动，单击PID控制器的“自动”按钮。
8.根据控制效果，调整PID控制器参数。
9.引入和撤除干扰
此时前馈控制器不起作用。
在此实验中，用管路2的流量作干扰流量，因此用流量Q2作干扰流量。
单击实验界面的“设置U2”按钮，在弹出的输出设置窗体中，通过键盘设置一个输出量，等待控制器控制液位平稳。
当被控对象液位平稳时，再将U2设置成零，重新等待液位平稳。
10.查看反馈控制的效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，测绘趋势曲线，并进行评估。
11.引入前馈控制作用
单击PID控制器界面的“参数设置”按钮，在弹出的参数设置界面中，单击选中“前馈引入标志”检查框。
12.引入和撤除干扰
重复第9步的操作。
13.查看前馈－反馈控制的效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，测绘趋势曲线，并进行评估。
4.4四水箱解耦控制实验
1.实验前准备工作
A.设备的连接和检查
B.电气连接
C.启动实验装置
2.进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“实验装置”；
单击实验菜单，进入双容水箱Smith预估控制实验界面，如下图所示：
图19解耦控制管路图
3.构造耦合系统
A.将两个PID控制器设置成手动
单击实验界面上的PID控制器标签，在弹出的PID控制器界面中，单击“手动”按钮。
B.构造耦合系统
本实验系统有两路相同的管路，分别由总阀门“
”和“
”控制。
被控制对象：
左边双容水箱（水箱1和水箱3）和右边双容水箱（水箱2和水箱4）；
输出变量：
分别为：
和
；
调节阀：
总阀门“
”和“
”；
在上述基础上，通过让水箱3的出水同时流到水箱1和2，同时让水箱4的出水也同时流到水箱1和2，便构成一个耦合系统。
具体操作：
打开实验装置上的出水阀
、
、
和
，并且符合以下关系：
4.选择工作点
即设置总阀门“
”和“
”。
先单击实验界面相应控制回路的PID控制器标签，弹出PID控制器界面，然后单击PID控制器界面的MV增减键设置阀门“
”和“
”开度。
5.设置PID控制器参数
根据对象特性，设置PID控制器参数，并通过键盘输入到控制器参数设置界面中。
6.设置解耦前馈控制器
A.测量对象通道模型
分别用飞升曲线法，测量左边双容水箱和右边双容水箱的数学模型。
B.测量耦合通道模型
分别用飞升曲线法，测量
对右边双容水箱的耦合通道的数学模型及
对左边双容水箱的耦合通道的数学模型。
C.计算前馈控制器模型参数
根据实验原理部分的公式有：
（10）
（11）
前馈控制器的标准表达式为：
（12）
比较两式便可获得模型参数
、
、
和
。
D.将参数输入前馈控制器中
单击实验界面上的前馈控制器标签，在弹出的前馈控制器界面中输入计算得出的参数。
7.PID控制器投入运行
将PID控制器设置成自动，单击PID控制器的“自动”按钮，同时不引入前馈作用，即确保控制器参数设置界面中的“前馈引入标志”单选框不被选中。
在无解耦控制器的情况下，查看控制效果。
8.通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，查看趋势曲线
根据趋势曲线，适当修改PID控制器参数，以达到较佳控制效果。
9.前馈控制器投入运行
单击实验界面的PID控制器标签，弹出PID控制器界面，在控制器界面中单击“参数设置”按钮，弹出控制器参数设置界面，在此界面中单击选中“前馈引入标志”。
10.查看解耦控制效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体，查看趋势曲线。
根据趋势曲线，评估控制效果。
4.5可能遇到的问题以及解决办法
Q1：
PID参数整定经验不足，不知道如何下手。
解决办法：
1、结合仿真出的图形对PID参数进行反复调整。
同时自己的经验也很重要。
2、去图书馆查阅相关书籍，查询有关PID参数整定的方法；
3、通过上网查阅相关资料，查询PID参数整定的主要方法。
Q2：
使用临界比例法整定时，缺乏工程经验，不知道整定参数的范围。
解决办法：
1、询问老师大致的PID参数整定范围；
2、通过上网查阅资料，查询整定的PID参数的范围；
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