1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄一、 設(shè)計任務(wù)及要求二、 被控對象數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析1.1 對象數(shù)學(xué)模型的計算及仿真驗證31.2 對.象特性分析5三、 控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 基本控制方案63.2 控制儀表選型73.3 參數(shù)整定計算73.4 控制系統(tǒng)MATLAB仿真83.5 仿真結(jié)果分析103.6 控制系統(tǒng)組態(tài)四、設(shè)計總結(jié)一、 設(shè)計任務(wù)及要求對一個燃油爐裝置進行如下實驗，在溫度控制穩(wěn)定到600時，在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加大約，即在開環(huán)狀態(tài)下將執(zhí)行器的輸入燃油流量增加，持續(xù)后結(jié)束，等間隔記錄爐內(nèi)溫度變化數(shù)據(jù)如下表，試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超調(diào)量的無差溫度控制系統(tǒng)。t(min)012

2、34567891007.210.358.47.055.854.954.053.32.72.25t (點)1112131415161718192021()1.951.651.351.050.750.450.360.200.100.040.00具體設(shè)計要求如下:（1） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的模型；（2） 根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計符合要求的控制系統(tǒng)（給出帶控制點的控制流程圖，控制系統(tǒng)原理圖等，選擇控制規(guī)律）；畫出控制系統(tǒng)SAMA圖；（3） 根據(jù)設(shè)計方案選擇相應(yīng)的控制儀表（DDZ-），繪制原理接線圖；（4） 對設(shè)計系統(tǒng)進行仿真設(shè)計，首先按對象特性法求出整定參數(shù)，然后按4:1衰減曲線法整定運行

3、參數(shù)。（5） 用MCGS進行組態(tài)設(shè)計。二、 被控對象數(shù)學(xué)模型建模及對象特性分析 1、 對象數(shù)學(xué)模型的計算及仿真驗證根據(jù)題目表格數(shù)據(jù)計算出階躍響應(yīng)輸出值程序為：Dt=1t=0:Dt:21;ts=0:0.001:21;a=0 7.2 10.35 8.4 7.05 5.85 4.95 4.05 3.3 2.7 2.25 1.95 1.65 1.35 1.05 0.75 0.45 0.36 0.20 0.10 0.04 0.00%給定脈沖響應(yīng)數(shù)據(jù)y(1)=0for i=2:1:22 y(i)=y(i-1)+a(i); %計算階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)endplot(t,y,'r');hold onp

4、lot(t,a);hold on計算出階躍響應(yīng)輸出值見下表：t(min)01234567891007.210.358.47.055.854.954.053.32.72.25y07.200017.550025.950033.000038.850043.800047.850051.150053.850056.1000yg00.11250.27420.40550.51560.60700.68440.74770.79920.84140.8766t(min)1112131415161718192021()1.951.651.351.050.750.450.360.200.100.040.00y58.05

5、0059.700061.050062.100062.850063.300063.660063.860063.960064.000064.0000Yg0.90700.93280.95390.97030.98200.98910.99470.99780.99941.00001.0000由計算可得：穩(wěn)態(tài)值y（）=64.0000；作出脈沖響應(yīng)曲線和階躍響應(yīng)曲線如圖1所示：使用matlab編輯.m文件，通過給定的矩形脈沖響應(yīng)求對象的階躍響應(yīng)并用插值方法畫出曲線如下圖：將階躍函數(shù)曲線歸一化，得到單位階躍響應(yīng)程序為：yw=max(y)yg(1)=0for i=1:1:22 yg(i)=y(i)/yw;endy

6、s=interp1(t,yg,ts ,'spline');%線性插值plot(ts,ys);grid;歸一化階躍響應(yīng)曲線如下圖：從圖中取ys（）=0.4，ys（）=0.8則=2.954 min，=8.016 min。求被控對象傳函：對象增益為由圖可知,小于0.460，而大于0.317因此使用二階系統(tǒng)近似。由兩點法可以求得：得 T1=4.565min=274s T2=0.515min=31s由于純延遲為零，則對象傳遞函數(shù)為：對所求的對象傳函驗證程序為：Dt=1t=0:Dt:21;%單位分鐘ts=0:1:21;a=0 7.2 10.35 8.4 7.05 5.85 4.95 4.0

7、5 3.3 2.7 2.25 1.95 1.65 1.35 1.05 0.75 0.45 0.36 0.20 0.10 0.04 0.00y(1)=0for i=2:1:22 y(i)=y(i-1)+a(i);endplot(t,y,'r');hold onGp=tf(63.99,conv(0.5167,1,4.567,1);%把單位全都化為分鐘step(Gp);grid;驗證如下圖所示：由上圖可以看出，求出的數(shù)學(xué)模型的階躍響應(yīng)和由給定數(shù)據(jù)求得得階躍響應(yīng)基本吻合，驗證了數(shù)學(xué)模型建立的正確性。2、 對象特性分析被控對象傳函為做被控對象單位階躍響應(yīng)程序為：Gp=tf(2.133,c

8、onv(31,1,274,1);step(Gp);grid;單位階躍響應(yīng)如下圖所示：由圖可知：,這是一個二階自衡的非振蕩過程，靜態(tài)增益為=2.133,T=386.3 s。對象無延遲，自衡率= 0.469，響應(yīng)速度= =。根據(jù)對象階躍響應(yīng)得知，對象達到穩(wěn)定時約1500秒，調(diào)整時間過長。三、 控制系統(tǒng)設(shè)計1、 基本控制方案方案1采用單回路系統(tǒng)控制：設(shè)計一個單回路的控制系統(tǒng)。要求實現(xiàn)超調(diào)量的無差溫度控制系統(tǒng)，因此采用PID控制器。采用單回路系統(tǒng)控制原理圖如圖所示 單回路系統(tǒng)控制原理圖采用單回路控制系統(tǒng)，而單回路系統(tǒng)是由一個被調(diào)量，一個調(diào)節(jié)量，一個調(diào)節(jié)閥和一個調(diào)節(jié)器組成只有一個單回路的控制系統(tǒng)，當(dāng)對象

9、的干擾變化比較劇烈、比較頻繁或是工藝對產(chǎn)品質(zhì)量提出的要求較高時，采用單回路控制的方法不再有效，并且單回路PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間較長。單回路控制系統(tǒng)帶控制點的流程圖如下圖所示：方案2采用串級系統(tǒng)控制控制系統(tǒng)對動態(tài)特性提出了要求，而串級控制系統(tǒng)可以有效地克服二次擾動，改善對象的動態(tài)特性，所以有必要考慮在PID無法滿足動態(tài)特性要求的情況下采用串級控制系統(tǒng)。采用串級系統(tǒng)控制原理圖如圖所示：燃油爐爐溫控制系統(tǒng)帶控制點的流程圖如下圖：控制系統(tǒng)SAMA圖如下圖：2、控制儀表選型（1）溫度變送器：被控對象輸出穩(wěn)態(tài)值要求為600，因此儀表量程選擇270750，選擇SBWR-2160D E 0800小型導(dǎo)規(guī)式熱電

10、偶溫度變送器 ，其測量范圍是0800，輸出信號：4-20mA，精度0.2%FS；則變送器傳函增益：。（2）調(diào)節(jié)閥：由于氣動執(zhí)行機構(gòu)的工作溫度范圍較大，防爆性能較好，故本系統(tǒng)選氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)并配上電/氣閥門定位器。電/氣閥門定位器ZPD-01ZPD-01參數(shù)表名稱性能輸入信號4-20mA·DC輸出信號0-0.14MPa調(diào)節(jié)閥的輸入信號為4到20mA，開度相應(yīng)輸出為0到100%，調(diào)節(jié)閥傳函增益：（3）被控對象的增益由（1）可求出為=由上可得廣義被控對象增益為；廣義被控對象傳函：；（4）確定調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)閥的正反作用方式：調(diào)節(jié)閥：從安全考慮，選氣開，Kv為正；副對象：調(diào)節(jié)閥開，爐膛溫度升

11、高，Kp2為正；副調(diào)節(jié)器：Kc2為正，即反作用調(diào)節(jié)器；主對象：爐溫升高，出口溫度升高，Kp1為正；主調(diào)節(jié)器：Kc1為正，即反作用調(diào)節(jié)器； Kc2為正，切主調(diào)時主調(diào)不改變作用方式。3、 控制器參數(shù)整定計算（1）單回路PID控制系統(tǒng)的對象特性法整定。將二階廣義對象用一階傳函等效代替，求出K，T，；廣義傳函的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示：切線法求得K=0.444，=26.7s，T=346.3s；,因此選用單回路PID控制系統(tǒng)。經(jīng)過對象特性法整定（工程整定）：由科恩庫恩PID整定公式得 （2）串級控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定 副回路的整定：斷開主回路，只保留副回路，在不加比例控制器時，調(diào)節(jié)時間約為400多秒，而

12、當(dāng)加入比例控制器并調(diào)節(jié)比例大小為4時，此時調(diào)節(jié)時間約為200秒，調(diào)節(jié)時間大幅度提升，因此選擇此比例Ks=4； 主回路的整定： 使主調(diào)節(jié)器為純比例規(guī)律，且比例帶較大；使系統(tǒng)閉環(huán)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐步減小比例帶，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)4:1的衰減震蕩時，記下s和Ts；記錄此時的s=0.（Ks=120）Ts=39.64 帶入公式可整定得： （s） (s)4、 控制系統(tǒng)的Matlab仿真：在Matlab/simulink中仿真：對單回路控制系統(tǒng)進行仿真：仿真一：單回路控制系統(tǒng)的仿真：仿真波形圖見下圖：單回路控制系統(tǒng)仿真結(jié)果仿真結(jié)果：超調(diào)為33%，調(diào)節(jié)時間為380s，不能夠滿足超調(diào)量的控制要求。仿真二：串級控制器的仿

13、真：仿真波形圖見下圖：仿真結(jié)果：超調(diào)不滿足，調(diào)節(jié)時間為200，不能夠滿足超調(diào)量的控制要求。進行PID參數(shù)調(diào)整：改進仿真波形圖見下圖：仿真結(jié)果：超調(diào)，調(diào)節(jié)時間為280，基本能夠滿足超調(diào)量的控制要求。兩種控制系統(tǒng)仿真的比較：單回路與串級的抗干擾比較：仿真控制系統(tǒng)圖如下圖：抗干擾比較波形如下圖所示：單回路與串級的跟蹤比較：仿真控制系統(tǒng)圖如下圖：跟蹤比較波形如下圖所示：5、 仿真結(jié)果分析（1） 串級與單回路控制效果的對比。 由單回路與串級控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可以計算出串級與單回路的超調(diào)。其中，串級的超調(diào)為：，滿足要求；單回路的超調(diào)為：，不滿足系統(tǒng)要求的。從響應(yīng)速度上來看，串級的速度明顯快于單回路的速度。這表明串級可以