双容水箱-过控课程设计报告-上海电力_图文(精)

《过程控制系统设计》课程设计报告
姓名:
学号: XXXXXX 班级: XXXXXXXX 指导老师:
设计时间:2014年 1月 11日 ~1月 15日
第一部分双容水箱液位串级 PID 控制实物实验时间:同组人:
一、实验目的
1、进一步熟悉 PID 调节规律
2、学习串级 PID 控制系统的组成和原理
3、学习串级 PID 控制系统投运和参数整定
二、实验原理(画出“ 系统方框图” 和“ 设备连接图”
1、实验设备:四水箱实验系统 DDC 实验软件、四水箱实验系统 DDC 实验软件
2、原理说明:
控制系统的组成及原理
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。

本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图 1所示:
图 1 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
主对象:下水箱;副对象:上水箱
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
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。

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
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。

结合实际工艺流程图(图 2所示,可以清楚的理解串级控制的设备连接。

图 2 串级双容水箱设备连接图
3、串级 PID 控制系统投运
串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样, 必须保证无扰动切换, 采用先副回路后主回路的投运方式。

这里以我们的串级控制系统为例,给出具体的操作步骤:
1 将主、副控制器的切换开关都置于手动位置,副回路处于内给定
2 用副控制器的输出控制阀门,使主变量接近设定值,当工况比较平稳时,将副控制器设成自动——无扰动切换,因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量
3 手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值,当工况比较平稳时,将主控制器设置成自动——无扰动切换,因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量
4 串级两个控制器,将副回路控制器设置成“远端模式” ,这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值,从而构成串级系统
4、串级 PID 控制系统的参数整定
PID 控制仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。

常用的PID控制规律
有:P、 PI、 PD、 PID, 可根据被控对象的特点和控制要求选择其中之一作为控制器。

串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。

在整定时, 应尽量加大副调节器的增益, 提高副环的频率, 使主、副回路的频率错开,最好相差 3倍以上。

整定时,先切除主调节器,使主环处于断开的情况下, 按通常的方法整定副调节器的参数。

然后在投入副回路的情况下, 把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象,再加上副环外的部分对象,按通常方法整定主调节器参数。

为了得到某种意义下的最佳过渡过程。

我们这里选用较通用的“ 最佳” 标准, 即要求在阶跃扰动作用下,被调量的波动具有衰减率 0.75左右,在这个前提下,尽量满足准确性和快速性的要求。

常用的工程整定方法有:a 、动态特性曲线法 b 、稳定边界法 c 、衰减曲线法三、实验步骤
1、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“ DDC 模块” ; 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 3所示:
图 3 双容水箱液位串级控制实验界面
2、选择控制回路
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。

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 V13,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 V14,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 3、选择控制器工作点
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,如图 4所示。

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,如图 5所示:
图 4 调“ 手动” 图 5 设置 MV
进行对象动态特性测试:给 MV 一个阶跃, 将 1号和 3号水箱的液位变化数据记录在表 1中,根据实验数据用两点法建立 3号和 1号水箱的传递函数,作为 PID 初始参数计算的依据。

假定在输入量变化量为Δμ时测绘的飞升曲线如下图所示:
图 6 飞升曲线
因此,可估算双容水箱的模型为
其中, 至此,我们成功地用实验法测出了双容水箱的动特性。

4、调节串级的后级
设置 PID 参数:根据对象特性, 查表计算 PID 初始参数, P =0.1218, Ti =468.6, D =0, 并将参数输入到控制器中,并进行微调,使内回路控制效果达到最佳。

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 控制器的“自动”按钮
5、调节串级的前级。

前提:等液位稳定后
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;
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。

设置控制器 PID 参数:根据对象特性,设置 P =12.63778, Ti =220, D =0并将参数输入到控制器中,参加前面实验
将控制器设成自动状态:单击主回路 PID 控制器的“自动”按钮
6、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。

7、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。

8、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。

9、数据记录
记录控制的调节参数,并利用趋势窗体查看控制效果,并结果记录在下表 2中。

10、结果分析
根据记录的实验数据, 依据超调量、过渡时间和衰减比等特性参数评估串级控制的效果。

四、实验记录(包括现象、实验数据和波形图
根据实验步骤可以的到如下现象实验数据和波形图:
图 7 实际操作曲线图
如图 6所示,我们可以清楚的得到主、副回路的飞升曲线,根据两点法取
]0( ([ (y(t*y y t y -∞⨯=, 取 39. 0 (1*=t y ; 632. 0(2*
= t y , T=2(2t -1t ;
τ=21t -2t 副回路传递函数: s e s s G 3. 69129254. 1 (-+= ; 主回路传递函数 : s
e s s G 2201
1894. 0 (-+=
五、结果分析
由上表可知, 把整定好的副控制器参数带入再整定主回路, 由于在实验中存在系统误差, 主回路的液位测量存在较大波动, 所以照成主回路的建模出现不确定因数, 因此照成了主回路参数的整定的困难。

同时也因为同一原因照成控制器控制的效
果显示也存在较大波动, 不过经过三次调整, 还是得到了一个比较理想的值, 也算比较完美的完成了此次试验。

特别是主控制器的最后一次调整,效果还是不错的。

1、副回路控制器 PID 的整定
我们通过 5组实验结果作对比,确定副回路较好的 PID 控制参数。

由于存在系统误差, 所以图形存在波动。

第一组:控制结果如图
8
图 8 第一组参数结果
结果分析:当副控参数 P=8.21, I(S=69.3, D(s=0时,过渡时间为 159s ,超调量太大, 积分作用太大,所以应该增加积分时间。

第二组:控制结果如图
9
图 9 第二组参数结果
结果分析:当 P=8.21, I(S=65, D(s=0, , 过渡时间为 106s ,超调量太大,积分作用太大,所以应该增加积分时间。

第三组:控制结果如图
10
图 10 第三组参数结果
结果分析:经过前两组的实验,我们确定超调量过大的原因在于积分时间太短,积分作用太大,所以此次我们选择 P=8.21, I(S=75, D(s=0,过渡时间为 106s ,超调量为6%比较理想。

但是过渡时间为 106s ,还是有点大,所以应该增加积分时间。

第四组:控制结果如图
11
图 11 第 4组参数结果
结果分析:经过上组的分析,我们选择 P=8.21, I(S=80, D(s=0,超调量为 3%比较理想。

过渡时间为 65s ,达到理想的效果。

第五组:控制结果如图 12
图 12 第 5组参数结果
结果分析:经过上组的结果,超调量和过渡时间都比较理想,我们尝试着进一步减少过渡时间,所以我们选择 P=8.21, I(S=85, D(s=0,超调量为 3%比较理想。

过渡时间为 87s , 与第四组相比过渡时间稍微加长了一点。

经过上面五组的分析比较,第四组的效果过渡时间和超调量都比较理想,所以我们选择了我们选择 P=8.21, I(S=80, D(s=0,作为副回路控制器 PID 的参数。

2、主回路控制器 PID 的整定
我们通过 3组实验结果作对比,确定主回路较好的 PID 控制参数。

第一组:控制结果如图
13
图 13 第一组参数结果
结果分析:由图中下水箱的曲线(红色 ,当主控参数 P=0.7912, I(S=660, D(s=0时, 下水箱的液位不平衡,过渡时间太长,无法达到稳态,控制效果非常差。

由于系统的误差照成建模的不确定性,故第一次参数整定积分作用太弱了。

第二组:控制结果如图
14
图 14 第二组参数结果
结果分析:经过第一组的结果,我们咨询了老师的意见。

因为积分时间太长,导致积分作用不明显,经过很长时间才能达到平衡,一般选取 1/3的积分时间。

所以我们选择 P=0.7912, I(S=220, D(s=0,得到过渡时间为 403s ,超调量比较理想为 2%。

由于过度时间太长,为了加快响应速率,我们觉得应该增大比例作用。

第三组:控制结果如图
15
图 15 第三组参数结果
结果分析:经过上次的结果, 此次我们选择 P=0.9, I(S=220, D(s=0, 过渡时间为380s , 超调量良好为 8%。

与第二组相比过渡时间稍微减少了,但是效果不是很明显。

应该加大比例作用。

由于时间关系, 我们无法进行更深入的 PID 参数的整定。

经过以上的三组实验对比, 我们选择 P=0.9, I(S=220, D(s=0作为主回路 PID 控制器的参数。

从而确定了整个双容水箱的 PID 最终的参数整定是:主回路 P=0.9, I(S=220, D(s=0; 副回路 P=8.21, I(S=80, D(s=0.。

因为在找工作点时,系统的检测信号误差太大,得到的图像波动太明显所以在得到的主控制器传函存在不准确性, 故得到的控制效果也不是那么特别好, 存在波动, 这属于系统误差。

六、思考题
1、串级控制相比于单回路控制有什么优点 ?
解:1 、改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率。

2 、由于副回路的作用,使抗干扰能力得到增强。

3对负荷和操作条件变化的适应能力增强,有一定自适应能力。

2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升?
在串级控制系统中, 由于加了副回路控制, 不仅能迅速克服作用于副回路的干扰, 也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、粗调、快调的特点,主回路具有后调、细调、慢调的特点, 对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。

由于主、副回路相互配合、相互补充,相互协调工作,从而使整个系统的控制品质得到较大提升。

3、串级控制系统应如何投运?
答:串级控制系统中包含主、副回路。

在投运过程中,应先控制主副回路各自在初始稳定状态, 随后先投运副回路控制器, 使其从手动状态转为自动状态, 并输入合适的控制参数,给副回路一阶跃信号,观察副回路整定效果。

随后可对副回路进行参数整定, 逐步达到理想的整定效果。

之后再投运主回路控制器, 设置主回路的输出值使其与副回路的设定值相同, 以实现串级系统无扰的手自切换, 随后将副回路与
主回路串级相连, 实现系统串级控制。

再给主回路设定值一阶跃信号, 观察主副回
路的控制效果, 再根据控制效果对主回路控制器的参数进行整定,逐步达到理想的整定效果。

4、串级控制系统参数应如何整定?
答:串级控制系统参数整定应先整定副回路参数, 后整定主回路参数。

串级控
制系统主、副回路的原理不同, 对主、副参数的要求也不同。

串级控制系统主副
调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。

逐步逼近法:1 、整定副回路 2 、整定主回路 3 、再次整定副回路 4重新整定
主回路 5重复 3、 4步骤直到达到品质要求。

两步整定法:1 、按单回路控制系统整定副调节器参数 2 、把已经整定好的副
回路视为串级控制系统的一个环节,仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。

一步整定法:根据经验, 先将副调节器参数一次调好,不再变动, 然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。

七、分析与总结
通过对双容水箱液位串级 PID 控制实物实验,复习及运用了串级 PID 控制系统投运和参数整定的方法。

此次中, 由于下水箱的水飞溅比较剧烈, 导致检测到的下水箱液位波动太大, 而且上水箱的液位检测也与实际值存在一定的误差, 这些系统误差照成了我们的建模出现问题, 建出的模型与实际相差可能比较大, 同时也由于系统本身原因照成控制器的效果有波动,不过总的来说,液位还是得到了控制,并且处于一个固定区间内,即使有些波动,但这是系统原因,暂时无法克服。

第二部分实际生产过程控制系统设计与仿真
一、设计内容和要求 (从任务书上获取
氧化炉控制系统设计(三
二、系统组成
如图所示,氨气和空气在混合器中混合,经过滤器后送至氧化炉(采用 0.45MPa 全中
压法控制氧化过程 ,在铂触媒的作用下生成一氧化氮,再通过废热锅炉热量回收,经快速冷却器降温,进入硝酸吸收塔, 经空气第二次氧化后,与水作用生成稀硝酸。

氧化炉温度的变化受氨气和空气的比值影响很大,当氨气含量减少 1%时,炉温下降64.9℃,因此,设计了氨气 /空气的比值控制。

影响氧化炉温度的因素还有很多,比如负荷变化、铂触媒的活性变化及大气环境等,为此,必须根据炉温的变化适当改变氨气 /空气的比值。

氨的体积分数超过 14%会引起恶性爆炸事故毁坏生产设备,必需加设联锁保护系统,氧化炉温度及氨空比是最关键的控制参数, 对仪表精度要求极高。

因此氨氧化反应对氧化炉内的氨空流量比和炉温的要求非常严格,所以,氨空比与炉温的实时检测与稳定控制是氧化炉控制的关键。

经测试,调节阀开度变化时氨气流量的动态特性为:
117(1536. 1 (G 8. 01s e s s s -++= (
氨气流量变化时氧化炉温度的动态特性为:
145( 129(9. 3 (G 122s e s s s -++=
负荷变化时氧化炉温度的动态特性为:
132(1196. 2 (G 73s e s s s -++= (
二、主要参数:
四、控制方案的设计
以炉温为主调节回路,氨空比值为副调节回路,构成变比值控制系统。

串级比值调节
回路中, 当出现直接引起氨气, 空气流量变化的干扰时, 通过比值系统, 可以得到及时克服, 以保持炉温不变,对于其他干扰如氨气、温度压力变化,触媒活性变化等引起的炉温变化, 可通过主调节器对氨空比值进行修正, 以保证炉温恒定。

串级比值调节系统, 快速而有效地克服各种干扰,可使温度控制精度达到恒定。

故采用此种方案。

氧化炉中部温度与氨的转化率有一定的对应关系 , 选择氧化炉温度作为主控参数的间接指标既经济又合理。

氧化炉温度取决于氨空比、混合器中的混合气预热温度、氨的氧化率、负荷等等。

显然 , 氨空比是控制氧化炉温度的决定性因素。

氨空比受气氨、空气的工作压力、温度与含湿量的影响 , 根据这些环境因素应进行气氨—空气分子数的动态修正。

而保持氧化炉温度的平稳与随氧化炉温度的变化而改变氨空比为最佳变比值。

控制系统结构图如图 16 所示。

图 16 控制系统结构图
控制系统方框图如图 17所示:
图 17 控制系统方框图
五、设备选型
1、试选择合适的测量仪表,并说明选择的理由 ;
答:(1因为氧化炉温度正常值为 872℃,而它的量程范围为 0~1500,所以能测量此范围的温度测量变送器为 S 型铠装热电偶(铂铑 10-铂热电偶 ,其测量范围
0~1600℃。

(2流量检测仪表的选择氨气和空气流量的测量,根据实际工况条件一般可选用涡街流量计、涡轮流量计 ', 节流孔板或均速管配差压变送器等进行测量,同时配置相应的流量积算器,对氨气、空气流址可进行瞬时显示及累计 .
2、试确定控制系统中调节器的正反作用和调节阀的气开、气关型式。

答:首先是选择调节阀的气开还是气关, 从安全角度考虑,当调节阀出故障时,整
个系统是安全的,故选择气开阀,当调节阀没有受到气压推动是它是常关的,故安全。

确定了调节阀, 在确定副调节器的正反作用, 当检测到氨气流量减小时, 应增大氨气流量,由于阀门选择的是气开阀,故也应增大副控制器输出,故副控制器为正作用。

确定了副控制器的正反作用, 在确定主控制器正反作用, 当主控制器输出增大时, 由于副控制器,调节阀皆为正作用,所以氧化炉温也增加了,故为正作用。

六、系统的整定和分析
利用响应曲线法调节副回路,采用 P 控制,可以确定 K=0.73576,所以搭建三组对比仿
真,如图 18所示。

图 18 副回路三组对比
图 19 副回路三组参数整定结果
图中黄色(中间对应 simulink 中第一条响应曲线,相应的紫色(最上面第二条,蓝色(最下面为第三条。

由图可知, K 越大上升时间越短,但是存在余差, 当 K=0.73576时,副回路的整定效果最好,不存在余差,所以选择其作为副回路控制器的参数。

根据副回路整定参数,利用响应曲线法调节主回路,采用 PID 控制,把副回路控制器
参数 K=0.73576带入,将副回路看成一个整体,搭建三组对比仿真,如图 20所示。

图 20 主回路 PID 参数不同的三组对比
图 21 主回路三组参数整定结果
图中黄色(中间对应 simulink 中第一条响应曲线,相应的紫色(最下面第二条,蓝色 (最上面为第三条。

由上图可知, 当 K 过大或者 Ti 过大时, 响应曲线有超调, 当K 过大或者 Ti 过小时,响应曲线的上升时间增大,故最下面那条曲线最后,故其主回路控制器参数为 K=0.2, Ti=86s, Td=23.75时,所以选择其作为主回路控制器的参数。

七、系统过程分析
当负荷增大和减少时,试分别分析控制系统的调节过程。

答:系统稳定时,主控制器的输出稳定,副控制器的输出也是稳定的,这样氧化炉的
温度也是稳定的。

当负荷增大时, 氧化炉的温度降低, 温度变送器将温度变成电信号传给主控制器, 主控器经过控制算法得出结果使输出增大, 主控制器的输出
增大导致副控制器的输出也增大, 从而使调节阀开度增加, 使氨气流量增加从而使氧化炉温增加, 满足负荷的增加, 然后温度变送器再次检测温度送予主控制器进行调节,直到炉温再次稳定。

当负荷减小时, 主控制器输出减小, 副控制器输出也减小,从而阀门开度减小,从而导致炉温下降,然后温
度检测变送器检测炉温送予主控制器计算, 然后输出进行控制, 这样炉温就会满足负荷要求, 从而达到调节作用。

八、对扰动的克服
若系统运行时, 负荷波动频繁, 可以添加一个前馈控制器,来克服扰动。

设计合适的控
制器,并对系统进行仿真和比较。

(注:仿真时,需要在报告中提供模块图;整定时,至少提供三组典型的波形图进行对比,并在报告中加以说明。

负荷扰动:
132( 119(6. 2 (G 73s e s s s -++= 根据前馈控制原理,前馈控制器:
抗干扰加入前馈控制,前馈控制器的传函为 Gb(s=-Gf(s /Go(sGm(s,其中 Gf(s= 132(1196. 2 (G 73s e s s s -++= ( Gm(s= 145( 129(9. 3 (G 122s e s s s -++=
所以可以用 Gb(s=-Gf(s /Go(sGm(s求得:
Gb(s=-0.666666667(29s+1(45s+1/(19s+1(32s+1 加入前馈控制器之后,搭建
simulink 图,对参数进行整定。

根据整定好的 PID 系统,分别建立三组:加入一个 50的阶跃扰动,则有扰动有前馈控
制、有扰动无前馈控制、无扰动的串级 PID 控制的三组模型对比仿真,如图 22所示。

图 22 三组不同情况下对比
图 23有无扰动在不同条件下三组参数整定结果
图中黄色(中间对应 simulink 中第一条响应曲线,相应的紫色(最上面第二条,蓝色(最下面为第三条由上图可知,加入前馈控制后,扰动明显减小,扰动大小被削弱,效果很明显,这显示出了前馈控制抗干扰的强大能力。

九、扩展设计
除了上述控制方案外,还可采用其他哪些方法来实现控制要求(比如运用现代控制理论。

画出方框图,说明实现原理及可能的改进效果。

答:相对于传统的控制技术,先进控制有以下一些优点:
1 先进控制的控制策略与传统 PID 不同,如模型预测控制、推断控制、专家控制、模糊控制等。

2 先进控制通常用于实现复杂被控过程的自动控制, 如大滞后、非线性、时变形、被控参数与控制变量存在约束等生产过程。

3 先进控制的实现需要足够的计算能力作为支持平台。

以模糊控制为例:模糊控制的特点是不需要考虑控制对象的数学模型和复杂情况, 而仅依据由操作人员经验所制订的控制规则就可构成。

凡是可用手动方式控制的系统, 一般都可通过模糊控制方法设计出由计算机执行的模糊控制器。

模糊控制所依据的控制律不是精确定量的。

其模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属度函数, 以及从输出量模糊集到实际的控制量的转换方法等, 都带有相当大的任意性。

对于模糊控制器的性能和稳定性, 常常难以从理论上作出确定的估计, 只能根据实际效果评价其优劣。

其控制方框图如下:。