西科大自動(dòng)化儀表與過程控制大作業(yè)

1、*, t自動(dòng)化儀表與過程控制課程大作業(yè)1、(20分)如圖所示熱化工生產(chǎn)中的連續(xù)反應(yīng)器示意圖其工藝為：物料自頂部連續(xù)進(jìn)入槽中，經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)生 的熱量由冷卻夾套中的冷卻水帶走。為了保證產(chǎn)品 質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度B 1。原來選擇的控制方案如圖所示，控制精度無法達(dá)到 預(yù)期要求。(1)該系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，尤其 是冷卻水的進(jìn)水流量常常波動(dòng)，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部溫 度動(dòng)態(tài)偏差較大。試設(shè)計(jì)一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，提高 控制精度。(畫出控制系統(tǒng)連接圖和方框圖)(2)分析當(dāng)冷卻水的進(jìn)水流量突然增大時(shí)，該系統(tǒng)是如何消除擾動(dòng)、提高 控制精度的。解: (1)溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)連接圖圖1.1溫度-流量串級(jí)控制

2、系統(tǒng)連接圖溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖吐磁杠制超卜TT圖1.2溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)將冷水管道流量作為副變量，反應(yīng)釜溫度作為主變量，系統(tǒng)可對(duì)副閉環(huán)內(nèi)的干擾進(jìn)行有效遏制，同時(shí)也可降低系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。（2）當(dāng)冷水流量突然增大時(shí)，先通過副回路調(diào)節(jié)，即孔板將拾測(cè)的流量傳給壓力 變送器,變送器的數(shù)據(jù)需經(jīng)過開方器才能傳給壓力控制器 ，然后調(diào)節(jié)電磁閥，減小 送水量。當(dāng)水量擾動(dòng)過大時(shí)，主回路參與調(diào)節(jié)，通過溫度調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)溫度控制 器，接下來調(diào)節(jié)壓力控制量，電磁閥開度，使流量穩(wěn)定。2、（20分）（用MATLA仿真實(shí)現(xiàn)）某液位控制系統(tǒng)，在控制閥開度增加10%后 液位的響應(yīng)數(shù)

3、據(jù)如下：t(s)010203040h(mm)00.82.84.55.450607080901005.96.16.26.36.36.3如果用具有延遲的一階慣性環(huán)節(jié)近似，確定其參數(shù)K,T和，并根據(jù)這些參 數(shù)整定PI控制器的參數(shù)，用仿真結(jié)果驗(yàn)證之。解：確定參數(shù)K、T、t靜態(tài)放大系數(shù) K oy()Xo6.30.163t=0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;h=0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3; plot(t,h);xlabel('時(shí)間 t(s)');ylabel('液位 h(mm)');gr

4、id on;hold on;4h 位液30 0102030405060708090100時(shí)間t(s)時(shí)間t(s)h=6.3c/ / ff /T=2430405060708090時(shí)間t(s) m m位 液5432t1=7.0272°2、 在拐點(diǎn)處做切線，與穩(wěn)態(tài)值h=6.3和時(shí)間軸都有交點(diǎn)3、輸入以下指令，取點(diǎn)x,y=gi nputx1,y1=gi nput(1)得到時(shí)間 t=.O276; T=31.2212-7.0276=24則過程傳遞函數(shù)G(s)637.0se24 s 1(2) PI參數(shù)整定”/T =國 3 3(切+° ,3 (巾 $ / 1 + 2,2 (才功Kp=0.0

5、505,Ti=14.5, I=Kp/Ti1003、( 20分)某隧道窯系統(tǒng)，考慮將燃料室溫度作為副變量，燒成溫度為主變量,燃燒室溫度為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)G°i，G°2分別為:Go1(s)丄，其中有一個(gè)10S的傳輸延遲，其傳遞函(10s 1)(s 1)210s數(shù)為Gd(s) e。當(dāng)延遲環(huán)節(jié)分別放在主回路和副回路時(shí)，設(shè)計(jì)串級(jí)控制主、 副PID控制器的參數(shù)，并繪制出整定后的階躍響應(yīng)曲線，分析二次擾動(dòng)系統(tǒng)的 影響。解：由于主、畐咽路的時(shí)間常數(shù)比在3-10范圍內(nèi)，所以用逐步逼近法對(duì)副、主回路經(jīng)行整定。副控制器為 P調(diào)節(jié)，主控制器為 PI調(diào)節(jié)。(1)延時(shí)單元在主

6、回路1 )第一步，主回路開環(huán)，先整定副回路。按單回路方法整定副控制器，不斷的試驗(yàn)，當(dāng)Kc2=10時(shí)，控制曲線如下：，從下圖中可知，此時(shí)的衰減比約為4: 1。ScopelScope0204060301001201401601802002）第二步：主回路閉合，整定主回路。副控制的參數(shù)為 Kc2=10,調(diào)節(jié)主控制器參數(shù)，當(dāng)Kc仁3.3時(shí)，階躍響應(yīng)如下圖所示：StepScopel020406060100120140 KO 160200串級(jí)控制系統(tǒng)是針對(duì)二次干擾而提出來的，由于副回路的存在，對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的抑 制作用，下面就從理論上加以證明。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，假定二次干擾從控制閥前進(jìn)入副回路，如下圖所

7、示由上圖可得串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)的抗二次擾動(dòng)能力之比:Qc(s)Qd (s)Wci(S)Wc2 (s)Wc(s)當(dāng)調(diào)節(jié)器都采用 P調(diào)節(jié)時(shí)：Kc1 4,Kc2 1,Kc 2KC1 KC 2 K C從上述分析可知，由于串級(jí)控制系統(tǒng)副回路的存在，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)，從而大大減小了二次擾動(dòng)的影響。4、（ 15分）根據(jù)如圖所示，當(dāng)選擇進(jìn)水流量 Q1為控制量時(shí)，設(shè)計(jì)水箱水位的單 回路控制系統(tǒng)。（1）要求畫出系統(tǒng)的連接圖和方框圖；（2）若進(jìn)水閥為氣動(dòng)閥，選擇其氣開、氣關(guān)的形式，并確定調(diào)節(jié)器的正、反作 用方式。要求有分析過程。Q1Q2解：（1）若進(jìn)水流量為控制量，則系統(tǒng)為一階系統(tǒng)，其系統(tǒng)連接圖

8、Q1Q2圖4.1水箱水位控制系統(tǒng)連接圖水箱水位控制系統(tǒng)方框圖液位設(shè)定值圖4.2水箱水位控制系統(tǒng)方框圖（2）調(diào)節(jié)閥選用氣開式，一旦調(diào)節(jié)器損壞，調(diào)節(jié)閥處于安全狀態(tài)，切斷水 流進(jìn)入水箱，防止水溢出。當(dāng)調(diào)節(jié)閥打開，進(jìn)水量上升時(shí)，水箱內(nèi)壓力增大，因 此輸出量也增大，所以被控制量為正作用。由于控制器、對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三者乘 積為副，所以調(diào)節(jié)器為反作用方式。5、（25分）溫度流量解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 已知被控對(duì)象傳遞函數(shù)為：1 111W1i（s）,W2（s）,W2Ms）,W22（s）10s 15s 1s 14s 1，控制器傳遞函數(shù)為N11（s）1，N22（s） 1,采用對(duì)角陣解耦法來做。1） 確定解耦調(diào)節(jié)

9、器的另外兩個(gè)控制器傳遞函數(shù)N12（s）, N21（s）2）畫出溫度流量解耦控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖3）畫出無解耦調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖4）用Matlab的simulink畫出上述兩個(gè)系統(tǒng)5）選PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)使解耦控制系統(tǒng)的控制性能較好，并畫出系統(tǒng)的單 位階躍響應(yīng)曲線6）觀察無解耦控制器時(shí)控制系統(tǒng)的耦合現(xiàn)象和有解耦調(diào)節(jié)器時(shí)控制系統(tǒng)的 無耦合現(xiàn)象，并說明原因。解: 1）解耦控制器的另外兩個(gè)控制器傳遞函數(shù)N12（s）,N21（s）耒耦合過程:11WMs)W2(s)10s 15s 1W21(s)W22（S）11s 14s 11(10s1)( 4s 1)(5s1)(s 1)4s 1245s20s2

10、1Wg(s)1W0 (s)5s 11s 110s 1設(shè)廣義過程:Wg(s)Wd(s)W011 (s)00W022 ( s)1W0 (s)Wg(s)Nn(s) N12(s)N21（S） N22（S）由 N11(s)1, 得 W°11(s)45s220s 2(10s 1)(5s 1)(s 1)由 N22(s)45 s220s 21,得 W022 ( s)(4s 1)(5s 1)(s 1)Nl2（S）則N21（S）10s 15s 14s 1 s 12）溫度流量解耦控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖3）無解耦控制器的控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖4）用Matlab的simulink畫出上述兩個(gè)系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)框圖n*Step1PID(s)10s+1Step1PID ControllerPID Controllerr*FTransfer FcnTransfer Fens+1Transfer Fcn2-15s+1Transfer Fcn1PID(s)4s+1StepPID Controller1PID ControlledTransfer Fcn4r*F無解耦控制系統(tǒng)框圖5）取Kp=30,有解耦控制時(shí)其階躍響應(yīng)如下圖4解耦控制時(shí)階躍響應(yīng)圖無解耦控制時(shí)其階躍響應(yīng)如下圖