1、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 双闭环比值控制系统的分析与设计目 录1 任务书 - 11.1设计题目 - 11.2设计任务 - 11.3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 - 4 5 论文组织 - 55.1衰减曲线法整定主动量回路控制器参数 - 55.2反应曲线法整定从动量回路控制器参数 - 85.3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
2、制与串级控制的区别，以及各自的优缺点 - 166.1双闭环比值控制与串级控制的区别 - 166.2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) - 18双闭环比值控制系统的分析与设计双闭环比值控制系统的分析与设计11 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
3、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
4、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。双闭环比值控制系统的分析与设计2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= =4;12Q(2)主对象广义传递函
5、数为： ;tesG513)(3)从对象广义传递函数为： ;t52)120(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。 双闭环比
6、值控制系统的分析与设计32 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在生产过程中，根据工艺过程容许的负荷波动幅
7、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
8、系统方框图双闭环比值控制系统的分析与设计43 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= =4;12Q(4)主对象广义传递函数为： ;tesG513)(5)从对象广义
9、传递函数为： ;t52)120(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%，检验系双闭环比值控制系统的分析与设计5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
10、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。TransportDelay315s+1Transfer FcnStep Scope-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双闭环比值控制系统的分析与设计6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
11、例带 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 ；反之，则增大比例带 。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 ） ，以及响应的衰减振荡周期 。ssT(3)当 =1.189 时，出现衰减比 n=4:1的振荡过程：如图 11所示TransportDelay315s+1Transfer FcnStep Scope1.189Gain图 10 主动量回路闭环系统框图 K=1.189图 11 输出为 n=4:1的振荡双闭环比值控制系统的分析与设计7比例带： =1.189s/1衰减振荡周期 ：Ts
12、=36.42-12.42=24sT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 =0.75 为指标）：Kp=1/=1/(1.2 )=1.1891.2=0.9908s=0.5 =0.524=12sITs控制器参数控制规则 TI TDP sPI 1.2 s0.5 sPID 0.8 s0.3 sT0.1 sT表格 1 衰减曲线法整定计算公式（=0.75）(4)将 Kp=0.9908， =12s置入 PI控制器中，给定阶跃响应，观察响应。同时调整IT参数，知道响应曲线满意为止。Transp
13、ortDelay112sTransfer Fcn1315s+1Transfer FcnStep Scope0.9908Gain Add图 12 整定后的主动量回路闭环系统框图双闭环比值控制系统的分析与设计8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
14、程的比例增益 ，延迟时间 ，时间常数 ；0K00TTransportDelay310s+1Transfer Fcn2120s+1Transfer FcnStep Scope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 =3；根据两点计算法公式得延迟时间0K，时间常数 ：00T, ;284.3/5.)(1*tyst5.1, ;692 723, ;./7.3*tt6.双闭环比值控制系统的分析与设计9, ;5.03/6.1)(4*tyst4.34, ;8925 159;stT70.2).7.(.).101 ;62(32t 4/3.5./4
15、503时间常数: ;sT456.23/)7.1935()0201 ;st 80.7)2(.)(.201 ;t 17632;64./.4.35./5.40延迟时间： .s182)539(/)(0201 综上： =3， ， .0KsT.s8(3)由自衡过程的整定计算公式 =0.75(表 2)，得控制器的 PI参数为：；5.46.3/8.2/0比例度： ；1037.645.23816.08208. 0 TKT比例增益： ；3./1K积分时间： sI 7648.15.2800.20T0.2 1.50T调节规律 GC（s） TI TD TI TDP 101 7.08.6.2PI )1(sTI01.T3.
16、3 6.082T0.8 T0PID sTDI1085.T2 0.5 8.0152T0.81 T0+0.19 0.25T1表 2 =0.75 过程有自衡能力时的整定计算公式双闭环比值控制系统的分析与设计10（4）将 置入 PI控制器中，给定阶跃响应，观察响应。同时sTKI7648.1,32.0调整参数，知道响应曲线满意为止。TransportDelay310s+1Transfer Fcn2118.7648sTransfer Fcn1120s+1Transfer FcnStep Scope0.322Gain Add图 16 整定后的从动量回路闭环系统框图图 17 单位阶跃响应主动量回路性能指标：超
17、调量 （1.1747-1）/1=17.47%衰减率 (1.1747-1)-(1.0045-1)/(1.1747-1)=97.42%调整时间 )5%(86.44s结论：此组由响应整定的 PI 参数控制的系统调整时间过长，衰减率过大，将影响控制的及时性。双闭环比值控制系统的分析与设计115.3 双闭环比值控制系统仿真及性能测试如图 18 建立双闭环比值控制系统，主，从控制器的 PI 参数为上述整定的参数,即：主动量回路控制器：Kp=0.9908,Ti=12s从动量回路控制器：Kp=0.322,Ti=18.7648s图 18 双闭环比值控制系统图 19 双闭环比值控制系统响应（主动量每隔 100s变
18、化，幅值分别为3 1 4 2 1）从响应曲线可以看到：从动量回路时间常数较大，响应不够及时，且超调量较大，控制控制效果不够理想。双闭环比值控制系统的分析与设计12分析原因，主动量回路的响应振荡较剧烈，而从动量回路施加上是一个随动系统，导致从动量回路响应振荡也较剧烈，又因时间常数较大，在设定值变化之前其响应无法到达稳态值。因此将主动量的比例增益减小，减小振荡程度，对从动量的 PI 控制参数进行仿佛调整。最终整定如下参数（图 20）：主动量回路控制器：Kp=0.8,Ti=15s从动量回路控制器：Kp=0.38,Ti=28s能够得到较满意的响应（图 21）图 20 双闭环比值控制系统（调整后）图 2
19、1 双闭环比值控制系统响应（调整后）（主动量每隔 100s 变化，幅值分别为3 1 4 2 1）双闭环比值控制系统的分析与设计13双闭环比值控制系统性能指标：性能指标 主动量回路 从动量回路超调量 30.16% 4.28%上升时间 5.035s 25.89s调整时间 )5%(34.85s 41.6s5.4 双闭环比值控制系统的抗干扰能力检验主动量和从动量分别改变 10%，检验系统的抗干扰能力。 图 22 从动量改变 10%图 23 系统响应（从动量改变 10%）双闭环比值控制系统的分析与设计14图 24 系统响应局部放大（从动量改变 10%）图 25 主动量改变 10%双闭环比值控制系统的分析
20、与设计15图 26 系统响应（主动量改变 10%）图 27 系统响应局部放大（主动量改变 10%）结论：主、从动量分别改变 10%,系统没有引起较大超调，且能够快速稳定，抗干扰能力较强。双闭环比值控制系统的分析与设计166 双闭环比值控制与串级控制的区别，以及各自的优缺点6.1 双闭环比值控制与串级控制的区别：双闭环比值控制与串级控制的区别主要体现在：双闭环比值控制系统的结构框图如图 28 所示:图 28 双闭环比值控制系统的结构框图它是由一个定制控制系统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。实现主、从动量的比例配置。串级控制的结构框图如图 24 所示：图 29 串级控
21、制的结构框图它是由两个或两个以上的控制器串联组成，一个控制器的输出作为另一个控制的设定值。比较两个系统框图，可以发现它们最大的区别在于：串级控制通过加入一个副回路，将主要干扰包含在副回路中，使整个系统能够及时、快速地克服干扰。串级系统主要应用在单回路通达中容量滞后、延迟较大的系统中。双闭环比值控制是实现控制两种被控参数按比例配置，引入单回路反馈实现主、从动量回路中对干扰的抑制。串级控制是为双闭环比值控制系统的分析与设计17了更好的克服干扰而设计的，双闭环比值控制系统是为了实现控制两种被控参数更好地按比例配置而设计的.6.2 双闭环比值控制的优、缺点优点：通过主动量控制回路能够克服主动量干扰，实
22、现主动量的定制控制；通过从动量控制回路抑制作用于从动量回路中的干扰，从而使主、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。缺点：所用设别较多、投资较高，而且需要防止控制系统中主、从动量控制回路的工作频率过于接近所引发的“共振”，避免系统不能稳定运行。6.3 串级控制的优、缺点优点：对进入副回路的二次干扰有很强的抑制能力；能有效控制通道的动态特性，提高系统的工作频率；对符合或操作条件的变化有一定的自适应能力。7 总结8 参考文献1 郭一楠 常俊林 赵峻 樊晓虹编著.过程控制系统.北京.机械工业出版社.2009.22郭阳宽，王正林编著.过程控制工程及仿真：基于 MATLAB/Simulink.北京：电子工业出版社.2009.4附录双闭环比值控制最终整定结果(Simulink 图)双闭环比值控制系统的分析与设计18
