《毕业设计论文》双闭环流量比值控制系统的设计

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1、双闭环流量比值控制系统的设计 第 1 页 共 11 页 双闭环流量比值控制系统的设计双闭环流量比值控制系统的设计 ( 安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011) 指导教师：吴文进 摘要：摘要：由于单闭环比值控制系统主流量不受控，当主回路受到扰动时，控制过程中总物料量是不固 定的，而且不能保证动态比值。设计是在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路，构成双闭 环流量比值控制系统。它实现了对主流量的定值控制，大大地克服了主流量干扰的影响，使主流量变得 比较平稳，通过比值控制副流量也将比较平稳，从而实现了比较精确的流量比值，适用于严格要求动态 比值的场合。 关键词：关键词：双闭

2、环，比值，PID 控制，仿真 1 1 引言引言 自从进入 20 世纪 90 年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的 重要分支。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、 轻工、纺织、建材、原子能等工业部门生产过程自动化。在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术 正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动 条件、保护环境卫生、提高市场竞争能力等方面起着越来越巨大的作用。 2 2 设计任务设计任务 本设计是以流入水箱的两路(电动调节阀支路和变频器支路)流量满足比值关系为控制目标，采用

3、双 闭环比值控制系统，进行直接数字仪表控制和远程计算机控制 3 3 系统设计系统设计 单闭环比值控制系统仅能实现副流量 Q2 与主流量 Q1 间的比值为一常量，但这种系统的不足之处是 主流量的自发振荡不能消除，从而导致了副流量跟着主流量的波动而变化，使该系统控制后的总流量不 是一个定值。这一点对于高要求的生产过程是不允许的。双闭环比值控制系统就是为了克服单闭环比值 控制系统的上述缺点而产生的。 双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量随动控制回路 组成。主流量控制回路能克服主流量扰动，实现其定值控制。副流量控制回路能克服作用于副流量回路 中的扰动，实现随动控制

4、。当扰动消除后，主、副流量都回复到原设定值上，其比值不变。双闭环比值 控制能实现主流量的抗扰动、定值控制，使主、副流量均比较稳定，从而使总物料量也比较平稳，这样， 系统总负荷也将是稳定的。双闭环比值控制的另一个优点是升降负荷比较方便，只需缓慢改变主流量控 制器的给定值，这样副流量自动跟踪升降，并保持原来比值不变。不过双闭环比值控制方案所用设备较 多、投资较高，而且投运比较麻烦。 下图即为本设计的双闭环流量比值控制系统结构图： 双闭环流量比值控制系统的设计 第 2 页 共 11 页 图 1 双闭环流量比值控制系统结构图 4 4 系统方框图系统方框图 图 2 双闭环流量比值系统方框图 上图为本设计

5、的双闭环流量比值控制系统方框图。由图中可知，主动量 Q1 和从动量 Q2 都是由独立 的闭环系统实现定值控制，且两者间通过比值器实现定比值的关系。即主动量控制回路的输入 Q1，经变 送器变换为 I1,它乘以比例系统 K 后，作为从动量 Q2 控制回路的给定值 KI1。两个回路中的调节器均采 用 PI 控制规律，当系统在稳定时，则有 I2=KI1。 其中比值系数 K 的计算： 设流量变送器的输出电流与输入流量间成线性关系，当流量 Q 由 0Qmax 变化时，相应变送器的输 出电流为 420mA。由此可知，任一瞬时主流量 Q1 和副流量 Q2 所对应变送器的输出电流分别为： I1= (Q1/ Q1

6、 max)16+4 (1) 双闭环流量比值控制系统的设计 第 3 页 共 11 页 I2= (Q2/ Q2 max)16+4 (2) 式中 Q1 max 和 Q2 max 分别为 Q1 和 Q2 最大流量值。 设工艺要求 Q2 /Q1=K,则式(1)可改写为 Q1=(I14)/16) Q1 max (3) 同理式(2)也可改写为 Q2=(I24)/16) Q2 max (4) 于是求得 Q2/ Q1=(I24)/(I14)(Q2 max /Q1 max) (5) 折合成仪表的比值系数 K为： K=K(Q1 max / Q2 max) (6) 5 5 控制规律控制规律 本设计采用的是 PID 控

7、制规律，下面简单介绍一下有关 PID 控制的知识。 5.15.1 PIDPID 控制简介控制简介 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。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为 工业控制的主要技术之一。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 理论的其它技术难以采用时，系统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。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统 参数时，最适合用 PI

8、D 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差， 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例控制规律(P)： 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。采用 P 控制规律 能较快地克服扰动的影响，它的作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是 虽较能有效的克服扰动的影响，但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。它 适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。 积分控制规律(I)： 在积分控制中，控制器的

9、输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进 入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady- state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分， 随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控 制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入 稳态后无稳态误差。 微分控制规律(D)： 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控

10、制系 统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有 滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作 用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比 双闭环流量比值控制系统的设计 第 4 页 共 11 页 例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误 差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误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。所以对有较大惯性或滞后的被控对

11、象，比例+微分(PD)控制器能改善系统 在调节过程中的动态特性。 比例积分控制规律(PI)： 在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差，它适 用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。 比例微分控制规律(PD)： 微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况 下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的 场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。 比例积分微分控制规律(PID)： PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它

12、在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作 用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。 5.25.2 PIDPID 参数整定参数整定 在 PID 参数进行整定时如果能够有理论的方法确定 PID 参数当然是最理想的方法，但是在实际的应 用中，更多的是通过凑试法来确定 PID 的参数。 增大比例系数 P 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数 会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间 T 有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 增大微分时间 D 有利于加快

13、系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑 制能力减弱。 在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分，再微分 的整定步骤。 首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响 应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节 器即可。 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分 时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小(一般缩小为原值的 0.8)，然后减小 积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况

14、下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲 线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。 如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。 首先把微分时间 D 设置为 0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐 步凑试，直至得到满意的调节效果。 5.35.3 参数的现场经验整定法参数的现场经验整定法 本设计采用现场经验整定法，它也是凑试法的一种。现场经验整定法是人们在长期工作工程实践中， 从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析总结出来的一种行之有效、并得到广泛应用的工程整 定方法。在现场整定

15、过程中，我们要保持 PID 参数按先比例，后积分，最后微分的顺序进行，在观察现 场过程变量值(PV 值)的趋势曲线的同时，慢慢的改变 PID 参数，进行反复凑试，直到控制质量符合要求 为止。 双闭环流量比值控制系统的设计 第 5 页 共 11 页 PID 控制器参数的工程整定,在流量系统中 P.I.D 参数经验数据以下可参照：流量 L: P=40100%,T=660s。 在具体整定中，我们通常先关闭积分项和微分项，将 T 设置为无穷大、D 设置为零，使其成为纯比例 调节。初期比例度按经验数据设定，根据 PV 曲线，再慢慢的整定比例控制比例度，使系统达到 4：1 衰 减振荡的 PV 曲线，然后，再加积分作用。在加积分作用之前，应将比例度加大为原来的 1.2 倍左右。将 积分时间 T 由大到小的调整，真到系统再次得到 4：1 的衰减振荡的 PV 曲线为止。若需引入微分作用， 微分时间按 D=(1/31/4) T 计算，这时可将比例度调到原来数值或更小一些，再将微分时间由小到大调 整，直到 PV 曲线达到满意为止。有一