《过程控制》课程设计报告题目：双闭环比值控制系统的分析与设计姓名：王飞学号：20106206专业：自动化年级：2010级指导教师：李天华目录1 任务书-------------------------------------------------------- 1 1.1设计题目 --------------------------------------------------- 1 1.2设计任务 --------------------------------------------------- 1 1.3原始数据 --------------------------------------------------- 21.4设计内容 --------------------------------------------------- 22 研究背景 ------------------------------------------------------- 33 研究意义 ------------------------------------------------------- 44 研究内容 ------------------------------------------------------- 45 论文组织 -------------------------------------------------------- 5 5.1衰减曲线法整定主动量回路控制器参数 -------------------------- 5 5.2反应曲线法整定从动量回路控制器参数 -------------------------- 8 5.3双闭环比值控制系统仿真及性能测试 --------------------------- 115.4双闭环比值控制系统的抗干扰能力检验 ------------------------- 136 双闭环比值控制与串级控制的区别，以及各自的优缺点 --------------- 16 6.1双闭环比值控制与串级控制的区别 ----------------------------- 16 6.2双闭环比值控制的优、缺点 ----------------------------------- 176.3串级控制的优、缺点 ----------------------------------------- 177 总结 ---------------------------------------------------------- 178 参考文献 ------------------------------------------------------ 17 附录：双闭环比值控制最终整定结果(Simulink图) -------------------- 181 任务书 1.1设计题目双闭环比值控制系统的分析与设计1.2设计任务在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛；制药生产中要求药物和注入剂按比例混合；造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例；水泥配料系统等等。

凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。

主动量：起主导作用而又不可控的物料流量Q1； 从动量---跟随主动量而变化的物料流量Q2； 比例系数：k=12Q Q 在生产过程中，根据工艺过程容许的负荷波动幅度、干扰因素的性质和产品质量的要求不同，实现对两种物料流量比值的控制方案也不同：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。

双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从动量随动控制回路组成，其流程图和方框图分别如图1 和图 2所示。

通过主动量控制回路能克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制；通过从动量控制回路抑制作用于从动量回路的干扰，从而使主、从动量均比较稳定，能保持在一定的比值，使总物料量保持稳定。

双闭环比值控制系统常用于负荷变化或总的物料变化比较平稳的工业生产过程。

本次设计要求设计一个双闭环比值控制系统。

图 1 双闭环比值控制系统流程图 图 2 双闭环比值控制系统方框图1.3原始数据(1)要求比值控制系统的从动量跟随主动量变化而变化，其中两个流量仪表的信号比值系数：k=12Q Q =4; (2)主对象广义传递函数为：t e s s G 511153)(-+=; (3)从对象广义传递函数为：t e s s s G 52)120)(110(3)(-++=;(4)主动量回路和副动量回路均采用 PI 控制规律; (5)主动量每隔100s 变化，幅值分别为[3 1 4 2 1].1.4设计内容1、采用衰减曲线法整定主动量回路控制器参数；2、采用反应曲线法整定从动量回路控制器参数；3、在 MATLAB/SIMULINK 环境中建立双闭环比值控制系统，并投入运行，估计系统阶跃响应曲线的超调量、上升时间和过渡过程时间；4、检验双闭环比值控制系统的抗干扰能力：主动量和从动量分别改变 10%，检验系统的抗干扰能力。

5、分析双闭环比值控制与串级控制的区别，以及各种的优缺点。

2 研究背景在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。

如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛；制药生产中要求药物和注入剂按比例混合；造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例；水泥配料系统等等。

凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。

主动量：起主导作用而又不可控的物料流量Q1； 从动量---跟随主动量而变化的物料流量Q2； 比例系数：k=12Q Q 在生产过程中，根据工艺过程容许的负荷波动幅度、干扰因素的性质和产品质量的要求不同，实现对两种物料流量比值的控制方案也不同：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、变比值控制系统。

双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从动量随动控制回路组成，其流程图和方框图分别如图3 和图 4所示。

通过主动量控制回路能克服主动量干扰，实现对主动量的定值控制；通过从动量控制回路抑制作用于从动量回路的干扰，从而使主、从动量均比较稳定，能保持在一定的比值，使总物料量保持稳定。

双闭环比值控制系统常用于负荷变化或总的物料变化比较平稳的工业生产过程。

图 3 双闭环比值控制系统流程图 图 4 双闭环比值控制系统方框图3 研究意义通过Matlab 软件仿真双闭环比值控制系统，从而掌握双闭环比值控制系统的基本概念，组成结构；通过仿真，掌握双闭环比值控制系统主动量回路和从动量控制回路的参数整定。

掌握工程软件Matlab 软件的使用，为将来更深入的学习提供便利。

4 研究内容图 5 双闭环比值控制系统方框图在MATLAB/SIMULINK 环境整定双闭环比值控制系统控制参数，其系统方框图如图5所示原始数据：(1)要求比值控制系统的从动量跟随主动量变化而变化，其中两个流量仪表的信号比值系数：k=12Q Q =4; (4)主对象广义传递函数为：t e s s G 511153)(-+=; (5)从对象广义传递函数为：t e s s s G 52)120)(110(3)(-++=;(4)主动量回路和副动量回路均采用 PI 控制规律; (5)主动量每隔100s 变化，幅值分别为[3 1 4 2 1]. 具体设计设计内容如下：1、采用衰减曲线法整定主动量回路控制器参数；2、采用反应曲线法整定从动量回路控制器参数；3、在 MATLAB/SIMULINK 环境中建立双闭环比值控制系统，并投入运行，估计系统阶跃响应曲线的超调量、上升时间和过渡过程时间；4、检验双闭环比值控制系统的抗干扰能力：主动量和从动量分别改变 10%，检验系统的抗干扰能力。

5、分析双闭环比值控制与串级控制的区别，以及各种的优缺点。

5 论文组织按照整定双闭环比值控制系统的过程进行论文组织，每个整定部分都有详细的整定过程，响应曲线，测量参数以及结果分析，若在整定过程中出现问题，均有记录解决方法、体会、经验。

5.1衰减曲线法整定主动量回路控制器参数(1)在Simulink 中建立主动量回路闭环系统，在纯比例控制器的作用下给定单位阶跃响应。

如图1所示。

Transport Delay315s+1Transfer FcnStepScope-K-Gain图 6 主动量回路闭环系统框图图 7 输入为单位阶跃响应图 8 主对象广义传递函数一阶惯性环节设定图 9 主对象广义传递函数延迟时间设定(2)置比例控制器的比例带δ为较大的数值，即比例增益K 为较小的数值。

对设定值施加一个阶跃扰动，然后观察系统的响应。

若响应振荡太快，就减小比例带δ；反之，则增大比例带δ。

如此反复，知道出现衰减比n=4:1的振荡过程。

记录下此时的比例带（记为s ），以及响应的衰减振荡周期s T 。

(3)当δ=1.189时，出现衰减比n=4:1的振荡过程：如图11所示TransportDelay315s+1Transfer FcnStepScope1.189Gain图 10 主动量回路闭环系统框图K=1.189图 11 输出为n=4:1的振荡比例带：s /1δ=1.189衰减振荡周期s T ：Ts=36.42-12.42=24s衰减比：n=(1.2491-0.7810)/(0.8979-0.7810)=4.0043代入衰减曲线法整定计算公式（表1），得PI 控制器的参数为(衰减率Ψ=0.75为指标）： Kp=1/δ=1/(1.2s δ)=1.189÷1.2=0.9908I T =0.5s T =0.5×24=12s控制规则控制器参数δT I T D P s δPI 1.2s δ 0.5s T PID0.8s δ0.3s T0.1s T表格 1 衰减曲线法整定计算公式（Ψ=0.75）(4)将Kp=0.9908，I T =12s 置入PI 控制器中，给定阶跃响应，观察响应。

同时调整参数，知道响应曲线满意为止。

TransportDelay112s Transfer Fcn1315s+1Transfer FcnStepScope0.9908GainAdd图 12 整定后的主动量回路闭环系统框图图 13 主动量回路阶跃响应主动量回路性能指标：超调量 （1.5973-1）/1=59.73%衰减率 ((1.5973-1)-(1.255-1))/(1.5973-1)=79% 调整时间)5%(±49.194s结论：由衰减曲线法整定的PI 参数能够得到较满意的性能指标5.2反应曲线法整定从动量回路控制器参数(1)如图14所示，对给定的从对象广义传递函数进行单位阶跃响应测试，测取从对象广义过程的比例增益0K ，延迟时间0τ，时间常数0T ；Transport Delay310s+1Transfer Fcn2120s+1Transfer FcnStepScope图 14 从对象广义过程图 15 从对象广义过程开环单位阶跃响应(2)观察响应曲线，可知系统由自衡能力，且0K =3；根据两点计算法公式得延迟时间0τ，时间常数0T ：284.03/852.0)(1*==t y ,s t 25.211=; 632.03/896.1)(2*==t y ,s t 72.372=; 393.03/179.1)(3*==t y ,s t 76.253=;55.03/65.1)(4*==t y ,s t 04.334=; 865.03/595.2)(5*==t y ,s t 135.595=;s t t T 705.24)25.2172.37(5.1)(5.11201=-⨯=-=; s t t T 916.23)762.2572.37(2)(23202=-⨯=-=; s t t T 746.212.1/)04.33135.59(2.1/)(4503=-=-=时间常数:s T T T T 456.233/)746.21916.23705.24(3/)(0302010=++=++=;s t t 809.7)72.3725.213(3.0)3(3.01201=-⨯⨯=-=τ;s t t 804.1372.37762.25222302=-⨯=-=τ;s t t 64.155.1/)135.5904.335.2(5.1/)5.2(5403=-⨯=-=τ;延迟时间：s 418.12)64.15804.13809.7(3/)(0302010=++=++=ττττ. 综上：0K =3，s T 456.230=，s 418.120=τ.(3)由自衡过程的整定计算公式Ψ=0.75(表2)，得控制器的PI 参数为：529.0456.23/418.12/00==T τ；比例度：1037.36.0456.23418.1208.0456.23418.1236.26.008.06.26.008.06.200000000=+-⨯⨯=+-•=+-•=T T K T T ττττρδ； 比例增益：322.0/1==δK ；s T T 表2 ψ=0.75过程有自衡能力时的整定计算公式（4）将s T K I 7648.18,322.0==置入PI 控制器中，给定阶跃响应，观察响应。