王建雄运控课设说明说

第1页共23页课程设计任务书2015年秋季学期学生姓名王建雄学号12220218专业方向自动化班级2012级2班题目名称过程控制基础综合训练一.设计内容、设计任务及要求：1.单回路控制系统控制器参数的整定发酵生产过程中，要求对发酵罐温度进行严格控制。1）设计单回路控制系统；2）若单回路控制系统对象的传递函数为)101.0()1(0.125)(ssssG，分别采用临界比例度法和衰减曲线法完成PID控制器参数的整定；3）给出系统阶跃响应曲线，分析过程动态特性。2.串级控制系统的设计稀硝酸生产过程中，氨氧化炉是将氨气与空气中的氧气在高温、催化剂条件下进行反应，反应极为迅速，且是一个强烈的放热反应。工艺要求氧化率在97%以上，但转化率无法测量，通常以氧化炉反应温度作为指标进行控制。1）分析采用氧化炉温度为主变量，氨空比（氨气流量与空气流量的比值）为副变量的串级控制系统可行性；2）若副对象传递函数为：sessG8.117.56)(主对象传递函数为：sessG3.615128)(，系统温度给定210℃。完成串级控制系统的主副调节器的设计及参数整定。3.自选设计在比值控制系统、Smith预估时滞控制系统、前馈-反馈控制系统以及解耦控制系统中任选一种系统进行相应的控制方案设计并完成控制器参数整定。第2页共23页二.设计报告及书写内容要求课程设计任务完成后，每位同学必须独立撰写一份课程设计报告（上交纸质打印版和电子版）。注意：不得抄袭他人报告，或给他人抄袭。课程设计报告的内容应包括以下几个部分：1．标题，姓名，班级，学号2．目录3．摘要4．课程设计任务5．课程设计内容以“1.单回路控制系统控制器参数的整定”举例1）单回路控制系统定义及设计原则2）单回路控制系统的设计3）PID控制原理及PID参数整定概述；4）基于临界比例度法的PID控制器参数整定算法（要求较详细）；5）基于衰减曲线法的PID控制器参数整定算法（要求较详细）；6）利用Simulink建立仿真模型（须有较为详细的建模过程说明）；7）详细描述参数整定过程；8）调试分析过程及结果描述。列出主要问题的出错现象、出错原因、解决方法及效果等。6总结。包括课程设计过程中的学习体会与收获等内容。三.设计进度：2015.12.14—2015.12.15：查找资料、进行相关知识准备，熟悉掌握各种设计方法，确定设计方案。2015.12.16—2015.12.22：根据设计任务及要求，进行详细设计。2015.12.23—2015.12.25：撰写课程设计报告，答辩及提交。指导教师签字：第3页共23页摘要比例（Proportion）、积分(Intergral)、和微分(Differential)控制(以下简称PID控制)，是控制系统中应用最广泛的一种控制规律。实际运行经验及理论分析充分证明，这种控制规律在相当多的工业对象中，都能得到满意的控制效果。它是从事自动控制和电器传动领域的工程技术人员在模拟控制系统中最常使用的的一种方法。在工业控制中，目前应用最多的控制方法仍然是PID控制。但PID控制器的参数与系统所处的稳态工况有关。一旦工况改变了，控制器参数的“最佳”值也就随着改变，这就意味着需要适时地整定控制器的参数。但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。因此研究PID参数整定技术具有十分重大的工程实践意义。本次课程设计主要针对单回路控制系统控制器参数的整定、串级控制系统的设计以及比值控制系统的设计。关键词：比例；积分；微分；控制系统；整定第4页共23页目录第1章单回路控制系统控制器参数的整定...............................................................................51.1单回路控制系统定义及设计原则....................................................................................51.2单回路控制系统的设计....................................................................................................71.3PID控制原理及PID参数整定概述................................................................................81.4基于临界比例度法的PID控制器参数整定算法............................................................91.5基于衰减曲线法的PID控制器参数整定算法..............................................................111.6单回路控制系统响应曲线...........................................................................................14第2章串级控制系统的设计.....................................................................................................152.1串级控制系统的特点和原理..........................................................................................152.2串级控制系统的设计......................................................................................................162.3串级控制系统的整定......................................................................................................16第3章单闭环比值控制系统的设计及整定.............................................................................193.1单闭环比值控制系统的设计..........................................................................................193.2单闭环比值控制系统的整定..........................................................................................20总结................................................................................................................................................22参考文献.........................................................................................................................................23第5页共23页第1章单回路控制系统控制器参数的整定1.1单回路控制系统定义及设计原则(1)单回路控制系统定义单回路控制器一种以微处理器为计算、控制核心，配以相应软件，在外观及使用上类似常规模拟控制器的数字式控制仪表，又称单回路数字控制器。单回路控制器一般可接受多个输入信号，但只输出一个模拟量信号，构成单回路直接数字控制。单回路控制器一般由微处理器、过程输入输出通道、正面板、侧面板、供电电源、数字通信系统等硬件部分和监控系统、基本算式编程系统等软件部分组成。它可以由用户编制程序，组成各种调节规律，所以又称为“可编程控制器”。单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。在所有的反馈控制系统中它是最简单最基本的一种，因此它又被称为简单控制系统。单回路控制系统有4个基本环节组成，即被控对象或被控过程、测量变送装置、控制器、控制阀。(2)单回路控制系统设计原则一、过程控制的特点与其它自动控制系统相比，过程控制的主要特点是：1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器、调节器和调节阀）两部分组成。2、被控对象的设备是已知的，对象的型式很多，它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的，但一般具有惯性大，滞后大，而且多数具有非线性特性。3、控制方案的多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统；有线性系统、有非线性系统；有模拟量控制系统、有数字量控制系统，等等。这是其它自动控制系统所不能比拟的。4、控制过程属慢过程，多半属参量控制。即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。第6页共23页5、过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。二、单回路控制系统原理单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般生产过程的控制要求，所以应用十分广泛。单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容。如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。1、选择控制参数的一般原则为选择控制通道的静态放大系数K0要适当大一些，时间常数T0应适当小一些，纯滞后时间τ0则越小越好。选择扰动通道的静态放大系数Kf应尽可能小，时间常数Tf应大些，扰动引入系统的位置离被控参数越远，即越靠近调节阀，控制质量越好。当控制通道由几个一阶惯性环节组成时，为了提高系统的性能，应尽量拉开各个时间常数。应注意工艺上的合理性。2、控制规律的选择调节器的控制规律有比例（P）、积分（I）、微分（D）这三种基本规律及其各种组合。比例调节（P）：依据偏差的大小来动作，其输出与输入偏差的大小成正比。比例调节及时、有力、但有余差。积分调节（Ti）：依据偏差是否存在来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止。积分的作用是消除余差，但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。微分调节（Td）：依据偏差变化速度来动作，它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其作用是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它可以克服调节对象的惯性滞后、容量滞后，但不能克服调节对象的纯滞后。3、调节阀特性的选择第7页共23页调节阀是过程控制系统中的一个重要组成环节。调节阀的选择主要是流量特性的选择、流通能力的选择、结构形式的选择和开关形式的选择。应根据对象特性、负荷变化情况和生产工艺的要求出发，来确定所需要的调节阀。4、调节器正、反作用方式的选择调节器正、反作用方式的选择同被控对象的特性以及调节阀的气开、气关形式有关。被控对象的特性按其作用方向也分为正、反两种。当调节介质增加（或减少）时，被控参数亦增加（或减少），此时称被控对象为正作用；反之，称被控对象为反作用。调节阀按其作用方向也有气开、气关两种类型。选择调节器正、反作用的次序为：先根据生产工艺安全原则确定调节阀的开、关形式；然后按照被控对象的特性，决定其正、反作用；最后按组成该系统的三个环