控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、<p>　　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　2013年9月設(shè)計(jì)一 被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)建模</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1.了解水槽控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成；</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)采用的水槽控制系統(tǒng)為單回路控制系統(tǒng)，被控對(duì)象為單容自衡過程，被控

2、變量為水槽中的液位，控制變量為水槽入水口流量，變送器采用差壓變送器測(cè)量液位高度，執(zhí)行器采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制器采用Honeywell數(shù)字調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：</p><p>　　圖1-1 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　掌握響應(yīng)曲線法建立數(shù)學(xué)模型</p><p>　　圖1-2 響應(yīng)曲線法建模</p><p>　　采用響應(yīng)曲線法對(duì)

3、被控過程進(jìn)行建模。考慮過程控制系統(tǒng)的復(fù)雜性（慣性時(shí)間常數(shù)大、純滯后大、非線性明顯），在這里將被控對(duì)象、變送器和執(zhí)行器作為廣義對(duì)象進(jìn)行整體建模，不再考慮每個(gè)部分單獨(dú)存在時(shí)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中，待水槽中液位穩(wěn)定后，使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度作階躍變化，幅度為最大開度的10%，測(cè)定系統(tǒng)輸出量隨時(shí)間而變化的曲線，即得階躍響應(yīng)曲線。為減少干擾對(duì)建模過程的影響，需多次重復(fù)測(cè)試，并且要分別測(cè)得施加正、反方向的階躍信號(hào)

4、時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。</p><p>　　熟悉Honeywell數(shù)字調(diào)節(jié)器的用法及調(diào)試</p><p>　　Honeywell UDC3300數(shù)字調(diào)節(jié)器（以下簡(jiǎn)稱調(diào)節(jié)器）功能十分強(qiáng)大，在這里僅介紹與本次課程設(shè)計(jì)相關(guān)部分的使用方法。</p><p>　　調(diào)節(jié)器有兩種操作模式：手動(dòng)（MAN）、自動(dòng)（A）。手動(dòng)模式下可以直接控制調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開度（0~100%），自動(dòng)模式下

5、可以設(shè)定PID參數(shù)及給定值。設(shè)置步驟如下：在顯示模式下按SET UP鍵，再按FUCTION LOOP 1/2鍵進(jìn)入PID參數(shù)設(shè)置，首先設(shè)置比例帶PROP BD OR GAIN，范圍為0.1%~9999%，按上下鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置好后再次按下FUCTION LOOP 1/2鍵設(shè)置微分時(shí)間常數(shù)RATE MIN，范圍為0.00~10.00min，再次按下FUCTION LOOP 1/2鍵設(shè)置積分時(shí)間常數(shù)，范圍為0.02~50.00min，至些參

6、數(shù)設(shè)置完畢，按下LOWER DISPLAY鍵切換回顯示模式。</p><p>　　對(duì)整個(gè)水槽控制系統(tǒng)有一個(gè)整體了解</p><p>　　被控對(duì)象：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對(duì)象是二個(gè)水槽?？蓸?gòu)成一階對(duì)象和二階對(duì)象。</p><p>　　執(zhí)行器：Honeywell ML7420電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，連接線性閥。從開度0變化至100%的過渡時(shí)間為60秒，2-10V輸入信號(hào)，2-10V位置反

7、饋信號(hào)（本次課程設(shè)計(jì)未對(duì)閥門開度進(jìn)行反饋控制，閥門開度的控制為開環(huán)控制）。</p><p>　　控制器：采用Honeywell UDC3300通用數(shù)字式控制器?？刂破鬏敵鲂盘?hào)為分段連續(xù)模擬信號(hào)，周期約為0.2秒。</p><p>　　變送器：DBC型電動(dòng)差壓變送器。本儀表在測(cè)量和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中作檢測(cè)環(huán)節(jié)，與節(jié)流裝置配合可連續(xù)可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同比重液體的界面，并將被檢測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變成為4-20

8、mADC，統(tǒng)一電流信號(hào)輸出。測(cè)得A/D轉(zhuǎn)換單元的采樣周期約為1秒。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)的最佳參數(shù)的計(jì)算方法</p><p>　　可以采用前面敘述的圖解法確定參數(shù)，為保證精度，本次課程設(shè)計(jì)采用計(jì)算法確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)。</p><p>　?。?）求靜態(tài)放大系數(shù)（無量綱）</p><p><b>　　求時(shí)間常數(shù)<

9、;/b></p><p>　　先將階躍響應(yīng)曲線標(biāo)準(zhǔn)化，得相對(duì)值 ，在標(biāo)準(zhǔn)化曲線上找到0.632與0.33所對(duì)應(yīng)的時(shí)間與，則時(shí)間常數(shù) 。</p><p>　　求純滯后時(shí)間方法與前面的圖解法相同。</p><p>　　最后得到廣義對(duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù) 。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)步驟</b></p>

10、;<p>　　1.設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)接線圖，聯(lián)接導(dǎo)線。記錄儀參數(shù)設(shè)置：首先調(diào)整好記錄儀零點(diǎn)；設(shè)置量程為：10v；設(shè)置走紙速度：12mm/min。</p><p>　　注：兩個(gè)電阻均為500將4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為2-10V電壓信號(hào)。</p><p>　　電路接線示意圖如下圖所示：</p><p>　　圖1-3 電路接線示意圖</p><

11、;p>　　2.給儀器上電，打開水泵，同時(shí)緩慢打開管道上的閥門。</p><p>　　3.把調(diào)節(jié)器調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥開度使其保持在30%，一段時(shí)間后液位穩(wěn) 定在30.3mm。</p><p>　　4.打開記錄儀開始記錄，當(dāng)液位穩(wěn)定后，突然改變調(diào)節(jié)器的輸出，使調(diào)節(jié)閥的開 度突然增加10%，由30%變?yōu)?0%。</p><p>　　5.用記錄儀記錄下

12、液位的變化情況，直到液位穩(wěn)定，穩(wěn)定液位高度為42.5mm。</p><p>　　6.突然改變調(diào)節(jié)器的輸出，使調(diào)節(jié)閥的開度突然減少10%，由40%變?yōu)?0%，待 液位穩(wěn)定后記錄液位高度為30.0mm。</p><p>　　7.重復(fù)步驟3到6，得到同一工作點(diǎn)的另一組階躍響應(yīng)曲線。</p><p>　　8.用得到的四條階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出一階水槽的數(shù)學(xué)模型。</p

13、><p>　　圖1-4 由記錄儀記錄的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　初始狀態(tài)閥門開度30%，系統(tǒng)液位高度穩(wěn)定在30.3mm。施加10%開度增大的擾動(dòng)，系統(tǒng)液位穩(wěn)定后液位高度為42.5mm。得靜態(tài)放大系數(shù) 。</p><p>　　過階躍響應(yīng)曲線斜率最大點(diǎn)作曲線的切線，與初始值和終值分別交于點(diǎn)和點(diǎn)，則系統(tǒng)的純滯后時(shí)間常數(shù)，慣性時(shí)間常數(shù)</p><p&

14、gt;　　系統(tǒng)廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為 。</p><p><b>　　需要引起注意的是，</b></p><p>　　由于廣義對(duì)象存在非線性特性，在不同的工作點(diǎn)下建模所得到的數(shù)學(xué)模型并不完全相同，因此要對(duì)系統(tǒng)投入生產(chǎn)后的工作點(diǎn)有一個(gè)大致的估計(jì)，在這一工作點(diǎn)附近對(duì)開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模，將大大提高系統(tǒng)模型的精確度。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備所使用的電

15、動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行閥門開度變化動(dòng)作時(shí)的過渡時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)以致于不能忽略，而由于我們采用一階純滯后廣義對(duì)象對(duì)系統(tǒng)建模，這一問題實(shí)際在系統(tǒng)中并沒有得到反映（這一問題導(dǎo)致我們?cè)诤笃趯?duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)整定時(shí)必須適當(dāng)減小比例系數(shù)Kp以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性）。</p><p>　　變送器的采樣周期為1秒，控制器的輸出信號(hào)周期約為0.2秒，該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)離散控制系統(tǒng)，采樣周期的大小也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能造成一定影響?？紤]到

16、過程控制本身的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中我們并未對(duì)這一問題進(jìn)行深入分析，將其作為連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)計(jì)二 一階單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1.熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，了解各儀表的功能及有關(guān)操作（略）</p><p>　　2.利用所提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)

17、計(jì)組成一個(gè)一階單回路液位控制系統(tǒng)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含以下幾個(gè)部分：水槽A，水槽B，差壓變送器A，差壓變送器B，調(diào)節(jié)閥A，調(diào)節(jié)閥B，水泵A，水泵B，控制器A，控制器B。其中變送器A未使用，變送器B與水槽A連接，用來測(cè)量A中的液位高度。水泵A、B的出口管道分別接調(diào)節(jié)閥A、B，調(diào)節(jié)閥A、B的出水口均與A連接。為組成一階單回路液位控制系統(tǒng)，選用水槽A、變送器B、調(diào)節(jié)閥A、控制器B構(gòu)成系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝

18、置如下圖所示：</p><p>　　圖2-1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖</p><p>　　了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性</p><p>　　設(shè)廣義對(duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù)為，控制器傳遞函數(shù)為，則系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 。閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能與被控對(duì)象特性及控制器參數(shù)選擇密切相關(guān)。</p><p>　　控制系統(tǒng)的分析與校正</p><p&g

19、t;　　由設(shè)計(jì)一已完成了對(duì)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)建模，用Simulink對(duì)該模型進(jìn)行仿真，程序如下圖所示：</p><p>　　圖2-2 控制系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　逐漸增大比例系數(shù)，使系統(tǒng)響應(yīng)曲線出現(xiàn)近似4：1衰減振蕩，經(jīng)過多次調(diào)整后，得到Kps=4.5，Tds=50s，階躍響應(yīng)曲線如下圖所示：</p><p>　　圖2-3 控制系統(tǒng)Simul

20、ink仿真階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　采用PI控制，由經(jīng)驗(yàn)公式得Kp=0.86Kps=3.75，Ti=0.5Ts=25s。</p><p>　　5.熟練掌握單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過程</p><p>　　工程整定方法有很多種，有臨界比例度法；衰減曲線法；響應(yīng)曲線法。本實(shí)驗(yàn)中主要應(yīng)用響應(yīng)曲線法。（設(shè)計(jì)一已經(jīng)通過響應(yīng)曲線法得出了廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)τ、T0、

21、K0值）在閉環(huán)系統(tǒng)中，置控制器積分時(shí)間為最大，微分時(shí)間為零，比例度取較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動(dòng)試驗(yàn)，并逐漸減小比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止，這時(shí)的比例度稱為4：1衰減比例度，兩個(gè)相鄰波峰間的距離稱為4：1衰減周期。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式來求取最佳PID參數(shù)。</p><p>　　表2-1 響應(yīng)曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式（4∶1衰減）</p><p>　　6.了解PID各參數(shù)在調(diào)節(jié)過程中的

22、作用</p><p>　　表2-2 PID參數(shù)變化對(duì)對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)步驟</b></p><p>　　1.設(shè)計(jì)一階單回路控制系統(tǒng)連線圖（略）</p><p>　　2.應(yīng)用響應(yīng)曲線法求出一階單回路控制系統(tǒng)的最佳參數(shù)（略）</p><p>　　3.用調(diào)節(jié)器手動(dòng)輸出

23、將系統(tǒng)液位穩(wěn)定，將計(jì)算的最佳P參數(shù)輸入調(diào)節(jié)器。</p><p>　　通過上述計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)輸出4：1衰減曲線時(shí)，調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K取4.5。</p><p>　　施加給定值擾動(dòng)，得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。</p><p>　　在手動(dòng)模式下，調(diào)整執(zhí)行器開度為40%，初始液位穩(wěn)定在41.7mm。調(diào)整好PI控制參數(shù)后，將給定值提高10mm，切換到自動(dòng)模式，記錄系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。&

24、lt;/p><p>　　記錄分析響應(yīng)曲線，反復(fù)實(shí)驗(yàn)找出一條4：1曲線。</p><p>　　反復(fù)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，最終得到Kp=5，Ti=60s。系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線如下圖：</p><p>　　圖2-4 Kp=5，Ti=60s時(shí)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　由Simulink仿真得到的結(jié)果如下圖所示：</p><p>

25、;　　圖2-5 控制系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)果</p><p>　　需要引起注意的是，實(shí)際被控過程的靜態(tài)放大系數(shù)K=1.2，而仿真被控過程取K=1.5時(shí)，兩條曲線才基本吻合，這與系統(tǒng)存在非線性，且建模時(shí)系統(tǒng)所在的工作點(diǎn)（30mm）與實(shí)際工作點(diǎn)（40mm）不同有一定關(guān)系。</p><p>　　觀察實(shí)驗(yàn)得到的多條曲線，分析PID各個(gè)參數(shù)的影響。</p><p>　　由

26、于實(shí)驗(yàn)時(shí)間緊張，我們只記錄了Kp=4，Ti=1min和Kp=5，Ti=1min時(shí)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。由于MATLAB仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，故結(jié)合仿真曲線分析PID參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p><p>　　圖2-6 Kp=5，Ti=1min時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　圖2-7 Kp=4，Ti=1min時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　保持

27、增益Kp=4，調(diào)整積分時(shí)間常數(shù)Ti=60s，30s，20s，10s。</p><p>　　圖2-8 不同Ti的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線比較</p><p>　　由圖像可以看出，在一定范圍內(nèi)，積分時(shí)間常數(shù)減?。ǚe分作用增強(qiáng)），系統(tǒng)超調(diào)增大、穩(wěn)定性降低，但到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間減?。?。其原因是Ti=1/60s時(shí)控制器的積分作用太弱，系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差的過渡過程太長(zhǎng)。</p><p

28、>　　保持Ti=60s，調(diào)整增益Kp=3，4，5，6。</p><p>　　由圖像可以看出，增益Kp變大時(shí)，系統(tǒng)振蕩明顯加大，穩(wěn)定性急劇降低，且Kp增大對(duì)加快穩(wěn)態(tài)誤差的消除作用不大。</p><p>　　圖2-9 不同Kp的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線比較</p><p>　　保持Kp=4，Ti=60s，加入微分作用并使Td=10s。</p><p&g

29、t;　　圖2-10 加入微分作用的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線與原系統(tǒng)比較</p><p>　　由圖像可以看出，加入微分作用后，系統(tǒng)超調(diào)減小，響應(yīng)速度加快，穩(wěn)定性增強(qiáng)，但微分作用的加入對(duì)后期穩(wěn)態(tài)誤差的消除基本無影響。</p><p>　　由于PID參數(shù)整定之前仿真工作準(zhǔn)備不充分，導(dǎo)致對(duì)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)整定后其積分時(shí)間常數(shù)太小，系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差所需的時(shí)間太長(zhǎng)，而在實(shí)際的曲線記錄儀中由于精度有限

30、及信號(hào)干擾，使得這一問題變得不明顯，誤以為系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，得到了不完全正確的PID參數(shù)整定結(jié)果。這在以后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)引起注意。</p><p>　　對(duì)系統(tǒng)施加不同的外部擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)輸出的變化。</p><p>　　用水瓶向水槽中注水，觀察液位的變化。（擾動(dòng)1）</p><p>　　將執(zhí)行器出水口的放水閥打開，觀察液位的變化。（擾動(dòng)2）</p>&

31、lt;p>　　圖2-10 加入擾動(dòng)位置示意圖</p><p>　　圖2-10 系統(tǒng)在擾動(dòng)作用下的響應(yīng)曲線</p><p>　　由于手動(dòng)施加擾動(dòng)無法做到理想的階躍擾動(dòng)，且幅值不能控制，故無法對(duì)兩個(gè)擾動(dòng)進(jìn)行橫向比較。從響應(yīng)曲線只能觀察到系統(tǒng)對(duì)兩次擾動(dòng)的抑制作用比較明顯，系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有受到影響，而且在擾動(dòng)加入后很快的時(shí)間內(nèi)即消除了擾動(dòng)所引起的偏差。</p><p>

32、<b>　　實(shí)驗(yàn)總結(jié)及感悟</b></p><p>　　這次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的實(shí)驗(yàn)歷時(shí)兩周，在這短短的兩周內(nèi)，我們組五個(gè)人都盡全力完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)，不論結(jié)果如何，我們?cè)谶@個(gè)過程中收獲很大。</p><p>　　首先，通過這次課程設(shè)計(jì)，我們溫習(xí)了自動(dòng)控制理論、檢測(cè)技術(shù)、過程控制課程的相關(guān)知識(shí)。第一周的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)知識(shí)體系的梳理過程，有了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)

33、，才能在第二周更好地進(jìn)行真實(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　其次，第二周的實(shí)驗(yàn)讓我們有機(jī)會(huì)接觸到真實(shí)的液位控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)電氣線路的連接、被控對(duì)象的建模、到后期進(jìn)行控制器參數(shù)整定，不僅加強(qiáng)了我們對(duì)控制系統(tǒng)的整體理解，也理清了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路。同時(shí)，我們還體會(huì)到了仿真環(huán)境與實(shí)際系統(tǒng)巨大的差異。例如，由于水槽的非線性特性，系統(tǒng)在不同的工作點(diǎn)處的模型是不同的，而在仿真環(huán)境中的線性系統(tǒng)中無法反映出這一問題；又如電

34、動(dòng)執(zhí)行器的開度變化有一個(gè)過渡過程，而在仿真環(huán)境中這是一個(gè)瞬時(shí)反應(yīng)，無過渡時(shí)間。這些問題，只有在接觸到實(shí)際系統(tǒng)時(shí)才能夠被發(fā)現(xiàn)、分析、解決?！凹埳系脕斫K覺淺，絕知此事要躬行?！边@次課程設(shè)計(jì)也給我們好好地上了一課。</p><p>　　最后，我們要特別感謝白瑞峰老師、王江老師和鄧斌老師在整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程中的幫助和指導(dǎo)。白瑞峰老師耐心地幫我們檢查線路、王江老師和鄧斌老師提出的犀利的專業(yè)問題，都給我們留下了極為深刻的印象。