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2017-2018（2）“过程控制系统综合实践”报告设计时间：2018年6月28日～7月7日课程设计（大型作业）任务书（2017/2018学年第二学期）老师签名：教研室主任（系主任）签名：一、设计目的1、了解实际控制系统的组成和使用的自动化仪表，掌握被控对象的建模方法，熟悉PID控制律的选择规则和控制器的整定原则；2、了解串级控制系统的结构、工作原理和设计方法，完成水箱液位串级控制的实物实验；3、掌握串级、前馈、比值、Smith预估器、解耦等复杂控制方法的设计和应用原则，能根据复杂被控对象的特点，选择合适的复杂控制手段，完成控制器参数的整定，尽可能提高系统的控制品质；4、尝试高级的、智能的控制算法的应用。二、设计内容、要求及组织形式1、设计内容（1）实物实验：完成实物实验（实验指导书可在“课程网站→首页-教学公告→点击查看更多→实践教学→更多”中下载）；（2）仿真设计：针对实际生产过程中的复杂对象进行控制系统的设计与仿真，达到预定的控制目标（具体课题由指导老师布置）。2、要求（1）实物实验：要求画出控制系统原理图和实验系统的设备连接图，详细记录实验过程和数据，打印波形图，并进行系统特性对比和分析；（2）仿真设计：要求分析被控对象的特性，画出控制系统的方框图和P&ID图，记录仿真过程中的典型数据和波形图，对仿真过程中的出现的问题进行说明和总结。三、设计进度及安排（时间及地点）时间和地点设计进度时间地点任务布置6月28日上午9：00～10：30阶四理解设计要求，查找资料6月28～30日图书馆或机房复杂控制系统实验见附录电自大楼410~412实际生产过程控制系统的设计及仿真7月1日～7月4日机房7月3日中期检查见附录撰写课程设计报告7月4日～7月5日机房答疑及答辩见附录四、考核形式及成绩评定办法1、考核形式采用分项考核方式，通过综合实验表现、答疑情况、中期检查结果、答辩表现、报告质量等多个环节来共同确定成绩。2、成绩评定方向实物实验部分成绩仿真部分成绩实验内容成绩比例自动化（火电、核电方向）双容水箱串级控制系统实验50%50%首次出勤、实验时的表现、中期检查情况、答辩和报告均计入本次课程设计考核内容。目录第一部分双容水箱液位串级PID控制实物实验一、实验目的…………………………………………………………1二、实验原理………………………………………………………1三、实验步骤………………………………………………………3四、数据记录及处理………………………………………………8五、结果分析………………………………………………………10六、思考题……………………………………………………………11七、分析与总结…………………………………………………12第二部分催化裂化再生器压力控制系统设计与仿真一、设计内容和要求……………………………………………13二、设计原理……………………………………………………15三、仿真记录……………………………………………………17四、结果分析……………………………………………………19五、改进设计……………………………………………………19六、总结…………………………………………………………22-1-第一部分双容水箱液位串级PID控制实物实验时间：2018年7月2日同组人：顾思远一、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1.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。本仿真系统的方框图和设备连接图如图1和图2所示。图1双容水箱串级控制系统的方框图图2双容水箱串级控制系统的设备连接图-2-串级控制器术语说明：主变量：y1称主变量。使它保持平稳是控制的主要目的。副变量：y2称副变量。它是被控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，它接受主变量的偏差e1，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，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。2.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：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。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。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。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。3.串级PID控制系统的参数整定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。-3-三、实验步骤CS4000型过程控制实验装置连接如下：图3CS4000实验装置接线图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，如下图所示：图4双容水箱液位串级控制实验界面选择“串级回路1”作为控制回路，打开进水阀V13，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（3号）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（1号）为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级。单击实验界面中水箱3液位控制器标签，然后单击“手动”按钮。再单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值=20%，等系统达到稳态后，给MV一个阶跃(U1增8%)，将3号和1号水箱的液位变化数据记录在表1中。-4-根据实验数据分别画出上、下水箱的阶跃响应曲线图，见后面的图15，用两点法求出上、下水箱的数学模型，并以此作为PID初始参数计算的依据（响应曲线参数整定法）。具体见后面的“数据记录及处理”部分。将初步整定得到的Kp=5.495、Ti=72.6输入到副控制器中，并进行微调（Ti=65），使内回路控制效果达到最佳。这一过程如图5所示。图5副控制器参数整定效果图为了防止水箱溢出危险，主回路参数在投入前需要先进行仿真。用MATLAB软件在simulink中搭建模型，如图6所示。图6simulink仿真模型注：本实验为双容水箱液位串级实验，使用两点法求得到的下水箱模型需要除去上一步所得上水箱模型才得到单纯下水箱的数学模型。-5-首先投入的是经响应曲线法初步整定出来的参数，如下图所示：图7初步整定参数投入仿真模型其效果如下图所示。由图可知，效果不太理想，于是需要进一步整定主控制器参数（副控制器参数不变）。图8初步整定效果图将主控制器参数Ti设为无穷大，同时减小Kp，直至出现4:1衰减比，参数和曲线如图9和图10所示。图9主控制器参数-6-图104:1衰减曲线由图10可知，振荡周期Ts=500s,再由Kp=0.7，查表计算得整定参数Kp=0.58，Ti=250，投入主控制器，运行得新的响应曲线(如图11)，效果理想。于是可考虑投入实物系统中。图11仿真模型最终的理想效果图-7-下面进行实物系统主控制器的参数投入（前提是系统已处于稳态）。将主控制器设成手动状态，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。稳定后，将Kp=0.58，Ti=250输入到主控制器中，切自动，同时将副控制器设为远端模式，此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。效果如下图所示。图12Kp=0.58，Ti=250图13Kp=0.58，Ti=200-8-图14Kp=0.4，Ti=200四、数据记录及处理-9-图15两点法求k、T、τ数学模型-10-五、结果分析针对本次的双容水箱液位串级PID控制实物实验，我们选的是PI控制规律。我们首先投入副控制器参数Kp=5.495、Ti=72.6,是我们通过响应曲线法算出来的，发现曲线效果较好，只不过超调量稍微有点大。于是，我们减小Ti（=65），发现超调量有所减小，曲线达到理想效果。这一过程如图5所示。为了防止溢出危险，必须严格投入主控制器参数。在仿真模型中，先了根据响应曲线法算出来的参数Kp=1.1186,Ti=495,运行后发现曲线震荡频繁（见图8）。于是，我们必须进一步整定参数。我们选择的是衰减曲线法。整定出来的参数为Kp=0.58、Ti=250，仿真效果不错（见图11）。接下来，便将Kp=0.58、Ti=250投入到实物系统的主控制器中，曲线如图12所示。超调量=11.6%，过渡时间=1033s,效果较理想。为了减小过渡时间，我们选择减小Ti（=200），曲线如图13所示。超调量增加到20%，过渡时间减小到666s。于是，经过分析得出，减小Ti，就相应增大了控制器的输出信号u（t）,使调节阀的动作加快，动作幅度增大，这势必加剧系统振荡，导致最大动态偏差增大。在第三次投参数时，我们想在第二组数据上的基础上，加快响应速度，我们应该增大Kp，然而由于粗心，我们减小了Kp=0.4，结果不出所料，曲线过渡时间大大增大了。通过查找资料，比例作用增大时，闭环系统稳态误差变小，响应的振荡加剧，响应速度加快。试验表明，当Kp超过某值后，系统响应将变得不稳定。于是，经过分析得出，Kc减小，会减缓响应速度，导致过渡时间增大。最终本次实验——双容水箱液位串级PID控制实物实验，我们组选用的最佳参数为：Kp=0.58,Ti=250s。-11-六、思考题1、串级控制相比于单回路控制有什么优点?答：①对进入副回路的干扰有很强的克服能力，由于串级控制中副回路的存在能迅速克服进入副回路的干扰，从而大大减小副回路干扰对主参数的影响。并且副回路的存在提高了系统总放大系数，因而抗干扰能力和控制性能比单回路控制系统有明显提高。②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。由于副回路的存在，使等效控制对象的时间常数大大减小，改善了系统的动态特性。且串级控制系统的工作频率提高了很多，控制品质大为改善。③对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。副回路是一随动控制系统，设定值随主调节器的输出而变化，这样主调节器就可以按照操作条件和负荷的变化相应地调整副调节器的设定值，从而使系统的控制品质得到保证。2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？答：在串级控制系统中，由于加了副回路控制，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点，主回路具有后调、细调、慢调的特点。对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。由于主、副回路相互配合、相互补充，相互协调工作，从而使整个系统的控制品质得到较大提升。3、串级控制系统应如何投运？答：先投副环再投主环，之后要将两个控制器实现串级。投运过程中，应先控制主副回路各自在初始稳定状态，随后先投运副回路控制器，使其从手动状态转为自动状态，并输入合适的