过程控制课程设计

摘要
串级控制系统是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。

在生产过程中的常规控制中，串级控制系统是提高过程控制品质非常有效的方案之一，因此，得到了广泛的应用。

根据高级过程控制课程学习的学习要求，选取双容水箱液位控制系统进行设计，目的是用PID控制方法整定出适合的参数，从而使被控系统的水箱液位达到稳定。

本文的设计思路是在已知控制系统的传递函数的基础上利用Matlab进行控制系统仿真，选取最佳的整定参数，同时加入了单回路控制系统的仿真，以便于串级控制系统仿真进行对比，从而证明串级控制系统的优越性和不可比拟性。

通过本文，能够从大体上了解过程控制的内涵，认识串级控制系统，对今后的学习裨益良多。

关键词：串级控制；双容水箱；Matlab；阶跃响应；
一、设计任务及设计目标
设计任务：双容水箱液位串级控制系统设计
图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。

需要设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。

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图1 双容水箱液位控制系统示意图
二、系统设计的要求及设计步骤
设计要求：
1） 已知上下水箱的传递函数分别为：
111()2()()51p H s G s U s s ∆==∆+，22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ∆∆===∆∆+。

根据上下水箱的传递函数画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（可假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；
2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，并对PID 参数进行整定，再对仿真结果进行评述；
3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。

本次给定液位控制系统的传递函数，根据已知及所学有关高级过程控制的知识进行设计。

过程控制系统建模的两个基本方法（1）机理建模法（2）测试建模法。

本文中，我们已经明白被控系统的生产过程，并且可以比较准确度的对其加
以数学描述，故采用机理建模法。

在系统的数学模型建立起来后，借助计算机系统仿真，验证整个控制系统的准确性、稳定性、快速性。

单回路控制方案以及串级控制方案的理论比较
串级控制系统是由两个控制器串联工作的，虽然串级控制系统在结构上仅仅比单回路控制系统多了一个副回路，但是对于同样的干扰，串级控制系统的控制质量是单回路控制系统所无法比拟的。

○1由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，是控制作用更加及时。

○2提高了系统的工作频率，是振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了。

○3对二次干扰具有很强的克服能力，对克服一次干扰的能力也有一定的提高。

○4对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力。

三、系统设计过程
1.未加干扰的双容水箱液位开环系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线
阶跃响应曲线如下：
2.加入干扰的开环系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线
加入干扰的开环控制系统阶跃响应曲线如下：
由图可知，开环控制系统的稳定性较差，尤其是干扰加入到回路中时，系统很难得到比较稳定的稳态值，y(∞)总是不停的波动。

而未加入干扰的的开环控制系统的控制效果大体令人满意，但是否合理，仍需进行下一步的工作。

3. 未加干扰的双容水箱液位单回路控制系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线
单回路控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下所示：
该步骤主要是针对单回路上的PID控制器的参数进行设计。

通过经验整定法，对PID控制器的参数进行设计，通过不停的改变整定参数值，并观察调节参数时系统的阶跃响应输出状况来判断参数值的合理性，直到得到比较满意的阶跃响应曲线。

通过多次对比，单回路控制系统PID控制器的参数如下：
P=15 ，I=1 ，D=10
4. 加入干扰的双容水箱液位单回路控制系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线
加入干扰的单回路控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下：
由以上阶跃响应曲线的对比可以看出，单回路控制系统中，系统有一定的超调，而开环控制系统则没有超调出现，但系统能够比较快速的到达稳态。

这都是因为系统将输出通过反馈通道送至比较器，并产生了偏差信号，使得PID控制器有了自己的输出，从而控制调节阀的动作，尽量减少系统的不稳地因素，提高系统的稳定性、快速性、准确性。

但还有一个明显的现象，就是当系统加入扰动后，系统的快速性基本没有太大的变化，但稳定性有了显著地变化，y(∞)总是无法达到稳定值，并且不停的波动。

由此可知，单回路控制系统并不能很好的克服外部干扰的影响。

于是，进行下一步的探索。

利用串级控制系统，看能否借解决上述问题。

5.未加入干扰的串级控制系统框图及Matlab仿真的阶跃响应曲线
在串级控制系统中，由于主控制器已经选用PID调节器，而控制副参数主要是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不是很严格，故在此选用比例调节器并选取上水箱液位作为副变量构成串级控制系统。

经过一定范围的尝试，我选定P的整定参数为30。

未加入干扰的串级控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下所示：
为使系统有较好的阶跃响应曲线，同样，对于串级控制系统的主控制器的PID参数的整定方法仍然是经验整定法，整定的过程同单回路控制系统的参数整定大体相同，在此就不再重复。

进过对不同的PID参数的下阶跃响应曲线的对比，得到主控制器的PID参数分别为：
P=16 ，I=3 ，D=8
6.加入干扰的串级控制系统框图及Matab仿真的阶跃响应曲线
加入干扰的串级控制系统Matlab仿真的阶跃响应曲线如下所示：
由步骤5、6可以看出，在串级控制系统的作用下，系统的稳定性有了进一步的提高，且快速性也基本满足要求，同时，在干扰的作用下，系统的稳定性基本没有产生变化，而且比单回路控制系统不加干扰的时候的振荡环节还要小。

很明显，串级控制系统满足了快速性、准确定、稳定性的要求，同时还具有良好的抗干扰性和自适应能力。

总结
通过本次课程论文，我对过程控制系统这门课程的理解更深了，特别是对串级控制系统理解和应用又上了一个新的台阶。

对所学知识的理论联系实际使我对所学知识有了全面的认识，在这个基础上我积累了一定的经验，相信会对今后的学习生活有一定的帮助。

在串级系统的设计过程中，由于我所掌握的知识比较浅薄，没有深层次的理解PID的作用机理和参数整定方法，所以不能得到较好的设计结果，但在与同学们的交流过程中，我学到了一些以前不知道的东西，对此次设计产生了极大地帮助。

在用软件进行仿真的过程中，我对Matlab的应用更加熟练了，以前没有做过此类的仿真，但在此次设计中，由于用到过程控制仿真的知识，我在图书馆找了一些资料，填补了我在这方面的空白。

总之，我对本课程论文比较满意，我会在今后的学习过程中不断努力，继续像这次一样，刻苦努力，不断学习与探索，争取在以后做得更好。