《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 : se s s G 22011894. 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。