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1 S形一阶响应曲线

（1）作图法 设阶跃输入幅值为?u，则K可按下式求取

K?y(?)?y(0) (1)

?uT、?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t1,t2，其中t2?t1??，计算

y*(t)?y(t) (2) y(?)t1???ex?p( y*(t1)?1 ) （3）

Tt2???ex?p( y*(t2)?1 ) （4）

T由式（2）和式（3）可解得

T?t2?t1 （5） **ln[1?y(t1)]?ln[1?y(t2)]t2ln[1?y*(t1)]?t1ln[1?y*(t2)] (6) ??**ln[1?y(t1)]?ln[1?y(t2)]

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：

×＋-控制器控制阀流量对象Q2测量变送Q1

图 2 典型的开环比值控制系统框图

由于该系统的副流量Q2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：

比值控制器＋×－控制器控制阀流量对象Q2测量变送测量变送 图 3 典型的单闭环比值控制系统框图

Q1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Q1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：

＋×－测量变送控制器控制阀流量对象Q1比值控制器＋×－测量变送控制器控制阀流量对象Q2

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：

Q2×＋－控制器＋－开方器除法器Q1开方器测量变送图 5 典型的变比值控制系统框图

×比值控制器控制阀流量对象主对象g测量变送测量变送

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：

干扰干扰设定r1＋×-e1PID控制器1r2＋-ym1×e2PID控制器2上水箱y2下水箱y1ym2测量电路2测量电路1 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：

前馈控制器干扰通道＋×y调节器对象通道－

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：

GFC?s???Gf?s?Gp?s?

（7）

式中： GFC?s?——前馈控制器的传递函数

Gf?s?——干扰通道的传递函数 Gp?s?——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。

干扰流量前馈控制器干扰通道－给定值×＋－测量变送PID控制器＋×调节器双容水箱＋＋×液位

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Gp?s?。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Gf?s?。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

GFC?s???Gf?s?Gp?s? (8)

至此，我们完成前馈控制器的设计。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7mtf.html