过程控制课程设计报告

过程控制与自动化仪表课程设计报告实验名称：调节规律对单容液位控制系统的影响专业：测控技术与仪器班级：组员：指导老师：2目录目录......................................................................................2一、设计目的........................................................................3二、设计原理........................................................................3三、设计过程........................................................................4四、设计数据........................................................................5五、设计数据分析：............................................................8六、设计总结........................................................................93一、设计目的1、通过实验熟悉过程控课程实验方法以及单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。3定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。二、设计原理2.1单容液位控制系统原理单容液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。2.2PID控制调节在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。比例调节(P)一种简单控制方式，，其输入与输出偏差信号的积分成比例关系。系统一旦出现了偏差，比例环节就立即进行反应来减少偏差。比例调节4的作用设置的越大，调节的速度就越快；但比例作用过大时，会使系统的稳定性下降。积分调节（I）用于消除系统中的稳态误差，输入与输出偏差信号的积分成正比关系。如果系统进入稳态后存在稳态误差，则称为有差系统，为了消除稳态误差，就需要引入“积分”调节。积分作用的强弱取决于积分时间常数的选取，随着积分时间常数的增大，积分作用会增强。使用积分调节时即便的偏差很小，积分项也会随着时间的增加而积累加大，它推动控制器的输出增大，使稳态误差进一步减少，直到等于零。因此，加入积分调节能保证系统静态精度。但积分作用会使系统的动态响应变慢，若参数选择的不当会影响系统稳定性。积分调节经常与其它两种调节作用配合，组成比例积分（PI）调节器或PID调节器。微分调节（D）主要反映系统偏差信号的变化率，控制器的输出与输入偏差信号的微分（偏差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服偏差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，主要原因是由于系统中存在有较大惯性环节或滞后环节，这类环节具有抑制偏差的作用，但其变化总是落后于偏差变化。解决的办法是增加微分的调节，使其抑制偏差作用的变化“超前”产生，即调节器在克服偏差的调节过程中使偏差接近零时，抑制偏差的作用就提前为零，微分调节能预测偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用。具有微分环节的调节器，能够提前使抑制偏差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。但是，微分环节对干扰也有一定的放大作用，过强的微分控制对系统抗干扰不利。微分环节不能单独使用需要与另两类调节结合来完成系统控制要求。三、设计过程1）、按老师要求将系统接成单回路反馈系统（接线参照实验一）。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h1。2）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。3）、在老师的指导下，接通微机控制屏，并启动计算机监控系统，为记录过渡过程曲线作好准备。4）、待系统稳定后，调节系统相关参数。5当观察比例作用时，固定I值，调节P参数，施加扰动，观察曲线变化，记录衰减比。当观察积分作用时，固定P值，调节I参数，施加扰动，观察曲线变化，记录衰减比。下图是我们单溶液位实验的仿真图四、设计数据第一组：设定值=8比例=16积分=1微分=06第二组：设定值=12比例=18积分=1微分=0第三组：设定值=14比例=25积分=1微分=0第四组：设定值=13比例=18积分=0.1微分=07第五组：设定值=12比例=18积分=0.6微分=08设定值比例积分峰值1峰值2衰减比第一组816111.288.565.86第二组1218115.1012.644.84第三组1425117.2114.833.86第四组13180.114.5013.622.42第五组12180.613.3912.344.09五、设计数据分析：实验过程中，我们采用的PID参数整定方法属于四种通用方法中的现场经验法，进行的参数整定及曲线规律的观察，并取得了不错的效果。在比例调节中，我们将积分参数固定为1，尝试了几组比例参数，并发现当P=25时得到比较接近4:1的衰减比。在积分调节中，我们将比例参数固定为18，改变积分参数并给定扰动，在积分参数为0.6得到较接近4:1的衰减比。通过观察，我们PI参数在过渡过程中的影响发现：Pi调节为及时的P作用和滞后的I作用的组合。当I参数不变时，增加p参数，衰减比下降，稳定性变差。反之衰减比上升，稳定性变强。当P参数不变时，增加I参数，衰减比下降，稳态误差变小，时延增大。六、设计总结在老师的帮助和我们组员的共同努力下，我们小组顺利的完成了此次设计。在设计实验过中我们通过查阅大量的资料，并在现场观测实验设备改变参数调节9系统，对于单容液位系统的各个环节有了深刻细致的认识，同时明晰了PID调节中不同参数对于系统的影响。通过实验，我们加深了对本课程的认识，通过老师的指导，同组同学的讨论，以及组员的努力，我们圆满的完成了任务，达到了设计的目的，真正感受到所学知识与实际的应用。通过次设计我们也发现了自身存在的不足。其一是分析问题的能力：可能是自己学习的不够扎实，实验中缺乏经验，遇到问题时头脑很茫然；二是解决问题的成熟度：这也许是个性使然，再加上缺少经验的累积和历练，所以在处理设计中的问题时，容易慌慌张张．这次设计也让我们再次体会到书本上学习到的专业知识和实际应用起来是两个完全不同的概念，所以在现阶段的学习中，我们主要是应该去学习专业理论知识，学习掌握分析问题和解决问题的能力。在以后的学习工作中，把理论和实际相结合，努力实现大学所学习的理论知识。