过程控制专业课程设计完整版.doc

过程控制系统课程设计

设计题目：流量比值控制和变频器控制设计
班 级：自动化0805
学 号： 2479
姓 名：
指引教师： 杨英华 鲍艳
设计时间： 5月30号 到 6月19日

目录
摘要 2
1. 课程设计任务及规定 3
1.1设计任务 3
1.2设计规定 3
2.1流量比值控制系统在工程实际中背景应用 4
2.2流量比值控制系统方案比较和选取 5
2.2.1比值控制系统方案比较 5
2.2.2比值控制系统方案分析和选取 6
3.实验硬件某些 7
3.1CS4000型过程控制实验装置简介 7
3.2硬件配备选型 7
3.3西门子SIMATIC PCS7-300 10
3.4变频器工作原理 10
4. 双容水箱机理模型建立及实验参数拟定办法 13
4.1串联双容水箱机理模型建立 13
4.2串联双容水箱参数拟定 14
5. PID控制器设计 16
5.1PID控制器原理 16
5.2PID控制器参数整定 18
5.2.1临界比例度法 18
5.2.2衰减曲线法 18
5.2.3试凑法 18
6. MATLAB仿真 22
6.1 MATLAB软件简介 22
6.2仿真实现 22
6.2.1被控对象传递函数 22
6.2.2PID参数拟定 22
7. 实验法测量双闭环流量比值控制系统 25
7.1双闭环流量比值控制系统工艺流程图 25
7.2实验过程 26
7.2.1双容水箱参数整定实验 26
7.2.2副回路PID参数整定实验 27
7.2.3双闭环PID参数整定实验 28
8. 心得体会 29
参照文献 31

摘要
在工业生产过程中，规定两种或各种物料成一定比例关系，一旦比例失调，会影响生产正常进行，影响产品质量，挥霍原料，甚至产生生产事故，因此严格控制其比例，对于安全生产来说是十分重要。本文分析了双闭环流量比值控制系统构成特性、原理、合用范畴，相比于开环比值系统和单闭环比值系统，双闭环比值系统构成更为复杂、动态特性和静态特性更好，探讨双闭环流量比值控制系统可行性。阐述了变频器工作原理和在双闭环流量比值控制系统中作用.
基于浙大中控CS4000过程控制实验装置水箱系统，依照设双闭环流量比值控制系统原理，设计了双容自衡水箱双闭环流量比值控制系统，画出控制系统原理图和方框图，选取恰当硬件配备。对双容自衡水箱进行了模型机理分析并在实验室内通过双容自衡水箱实验得到详细实际被控对象传递函数，主副闭环控制回路控制器均采用PID控制器。并依照设计出流量比值控制系统，在Matlab/Simulink环境下进行了PID控制建模仿真。
在实验室内，依照双闭环比值控制系统方框图和实验室既有资源，列出系统用到设备型号及参数，并进行实际双闭环流量比值控制系统两个控制器参数整定。实验重要环节如下： 1）一方面对副回路（红色回路）在组态王界面下进行PID参数整定。依照设计双闭环流量控制系统方框图，除去主回路某些，只连接副回路某些PLC控制线路并整定双容水箱单闭环（副回路）系统开关关合，得到了副回路最佳PID参数。2）再依照Matlab/Simulink仿真成果和上述实验得到副回路参数，进行在组态王双闭环流量比值控制系统主回路PID控制参数，通过试凑法，实现了实验室内组态王界面对双闭环流量比值监控，并得到较好跟随特性和系统稳定性。
老式流量比值系统人为因素成为决定配料精度核心。由于工作环境及工作人员素质关系，经常浮现产品不合格，质量不稳定性差状况，导致了大量人力、物力挥霍。并且人工配料生产率低、达不到规模化生产。本文设计流量比值控制系统，以变频器和电动调节阀为执行元件，加上P I D控制办法，使自动化流量比值系统达到了所规定控制精度。
核心词：双闭环 ,流量比值，变频器，PID，Matlab/Simulink

1. 课程设计任务及规定
1.1设计任务
本次课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设综合实践教学环节，是对《当代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容综合应用。本设计重要是通过对典型工业生产过程中常用典型工艺参数测量办法、信号解决技术和控制系统设计，掌握测控对象参数检测办法、变送器功能、测控通道技术、执行器和调节阀功能、过程控制仪表PID控制参数整定办法，培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题能力，使学生通过自己动手对一种工业过程控制对象进行仪表设计与选型，增进学生对仪表及其理论与设计进一步结识。
本次设计重要任务是通过对一种典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中液位参数设计其控制系统。设计中规定学生掌握变送器功能原理，能选取合理变送器类型型号；掌握执行器、调节阀功能原理，能选取合理器件类型型号；掌握PID调节器功能原理，完毕液位控制系统总体设计，并画出控制系统原理图和系统重要程序框图。通过对过程控制系统组态和调试，使学生对《过程控制仪表》课程内容有一种全面感性结识，掌握惯用过程控制系统基本应用，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效巩固与提高理论教学效果。
1.2设计规定
1. 流量比值控制和变频器控制设计。
2. 系统设计调试，以自动控制系统实验室模型为设计对象。
3. 控制系统分析，以自动控制系统实验室模型为设计对象。
4. 系统原理及参数选取
5. 流量比值控制系统普通用于总物料变化幅度不大场合，适合使用构造简朴，造价较低单闭环比值控制系统。因此本系统采用单闭环控制。单闭环比值控制系统是为了克服开环比值系统存在局限性，在开环比值控制系统基本上，增长一种副流量闭环控制系统。即实现副流量跟随主流量变化而变化，又可克服副流量自身干扰对比值影响。系统主回路给定值为人工设定。电磁流量计测得主回路流量后，通过比值器作为给定值送往副回路。这样副回路即可跟随主回路变化，实现比值控制。两叫路均采用PID控制，为保证系统迅速性与稳定性，应选取几组不同参数来应对不同状况。在启动以及受到较大单位扰动时，应以迅速性为主，使系统尽快达到平衡；在系统稳定运营以及受到阶跃扰动时，应以稳定性为主，以减小扰动对系统影响。
6. 流量比值控制系统方案选定
2.1流量比值控制系统在工程实际中背景应用
在双闭环比值控制系统中，积极物料、从动物料，在参数整定期，要保持积极物料、从动物料总量恒定，物料流量要保持恒定比值且主流量要实现定值控制，其成果作为副流量设定值也是恒定值。
与采用两个单回路流量控制系统相比，其优越性在于当积极量一旦供应局限性时，仍能保持原定比值。当积极量因扰动而发生变化时，在调节过程中，仍能保持原定比值。缺陷是所用仪表多，投资较高。
在积极量也需要控制时，增长一种积极量闭环控制系统，单闭环比值控制系统成为双闭环比值控制系统，如图1所示。
增长了积极量闭环控制后，积极量得以稳定，从而使总流量能保持稳定。
双闭环比值控制系统重要用于总流量需要经常调节（即工艺负荷升降）场合，如无此规定，可采用两个单独闭环控制系统来保持比值关系。

图表 1控制系统方框图

M
FC1
FT1
VL1
Q1

M
SSR

FT2
FC2
K
Q2

图表 2双闭环比值控制工艺流程图

流量比值与设立于仪表比值系数是两个不同概念，它们都为无量纲系数，但两者数值是不等。
流量比值k是流量比值，它们可以同为质量流量、体积流量或折算为原则状况下流量。
比值系数K是设立于比值函数模块或比值控制器中参数。
采用线性流量检测单元状况
在正常工况下，积极量与从动量输出值（无量纲）分别为F1/F1MAX，F2/F2MAX。
因此单元组合仪表比值系数为：

该比值系数只与变送器量程和所规定从动量与积极量相应比例关系关于，与变送器电气零点无关。
采用差压法未经开方流量检测单元状况
此时，积极量与从动量输出值（无量纲）分别为（F1/F1MAX）2， （F1/F1MAX）2 。
因此比值系数为：

该比值系数只与变送器量程和所规定从动量与积极量相应比例关系关于，与变送器电气零点无关。
几点阐明
（1）采用线性流量检测办法时，只有在 F1MAX=F2MAX场合，k=K；在采用差压法未经开方流量检测时，在 时，k=K
（2）采用相乘或相除方案中，比值函数部件可以改接在F2一侧，即实现
。此时，K’＝1/K。
（3）在同样比值k下，通过调节F1MAX，F2MAX也可以变化比值系数。
2.2.2双闭环比值控制系统方案分析和选取
双闭环流量比值控制系统，主流量也用一种PID控制器进行控制，增长一种主流量闭环控制系统，主流量在动态过程中和扰动作用下，可以自动调节得以稳定，从而通过固定比值使从流量也得以稳定。
通过两个方案论证，单闭环流量比值控制系统合用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料比值规定不高生产过程。而双闭环流量比值控制系统合用于祝愿流量扰动频繁，负荷变化较大，同步保证主、副物料总量恒定生产过程。
故本文对双容水箱流量比值控制系统采用方案二双闭环控制系统来设计生产控制过程。
3.实验硬件某些
本实验基于浙大中控CS4000过程控制装置水箱系统和西门子嵌入式PID参数调节模块对双容水箱模型进行实验。
3.1CS4000型过程控制实验装置简介
随着生产自动化限度和规模日益随着生产自动化限度和规模日益提高，分布式集散控制系统(DistributedControl System，DCS)得到了广泛应用，它可实现数字和模仿输入输出模块、智能信号装置和调节装置与PC之间数据传播，并可把I/O通道分散到实际需要现场设备附近，使安装和布线费用降到最低，从而大大节约成本费用；其开放通信接口，还容许顾客选取不同制造商生产分散I/O装置和现场设备，易于推广。CS4000型过程控制实验装置正是采用这种开放式DCS系统，依照国内工业自动化及有关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置特点和长处，并与当前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处在领先C3000智能仪表、S7-200PLC、DDC控制系统、EPA工业以太网控制系统，通过精心设计、多次实验和重复论证后，推出一套基于研究生教学和学科基地建设实验设备。
CS4000型过程实验装置检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE原则，即电压1-5V，电流4-10mA，实验系统供电规定：单相220V交流电，被调参数囊括流量、压力、液位、温度四大热工参数，真实地模仿了自动化工业现场控制。
3.2硬件配备选型
整个实验装置重要涉及DCS工业原则机柜、计算机控制系统(上位机系统)、
水箱系统。其中，DCS工业原则机柜提供系统供电电源(5v、24v)、各模仿输入输出量及继电器等所相应接口，用以上位机系统和水箱系统通信；上位机通过采集各类传感器信号，实时监控现场参数变化，及时发出控制指令；水箱系统涉及两个独立水路动力系统：一路由磁力驱动循环泵、电动调节阀、电磁流量计(主管路)、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀构成；另一路由磁力驱动循环泵、变频调速器、涡轮流量计(副管路)、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀构成，其系统构造如图所示，通过不同切换阀开合可以完毕各种方式下流量控制实验。

图 3.1：CS4000型过程实验装置
如图示3.1，实验对象共涉及有六个水箱和一种储水箱，其中水箱1(中下)、水箱2(右下)、水箱3(中上)、水箱4(右上)为普通水箱，箱外均配有标尺，以便近前查看：水箱5(左上)为加热水箱，内置有1.5KW电加热管；水箱6(左下)为纯滞后水箱．中间固定有一根有机玻璃圆柱，9块隔板呈环形排布在圆柱周边，水可依次流过度隔出9个扇形区。整个系统通过不锈钢管道连接起来，通道阀门启动时，储水箱水可以被分别送至六个水箱。六个水箱底部均有两个出水管道，其中装有手动阀管道作为控制系统一某些，可通过手动调节阀门开度以模仿漏水干扰；水箱液位达到警戒水位时，经另始终通管道流至储水箱，防止溢出。储水箱底部安装有出水阀。当储水箱需要换水时，手动打开出水阀即将水直接排出。
本实验系统供电规定单相220V交流电，实验装置检涮信号、控制信号及被控信号均采用ICE原则，即电压l-5v，电流4-20rnA。重要检测变送和执行元件有：扩散硅压力液位传感器、电磁流量计、涡轮流量计、变频器等，下面列出各元件重要技术参数：
(1) 扩散硅压力液位传感器：检测水箱压力。
液位输入信号：24 VDC；输出信号：4～20mA；测量精度：0.25％。
(2) 电磁流量计：检测主流量。
型号：SFIOTD-C；
输入信号：220V；输出信号：4～20mA；测量范畴:0～1.2；测量精度：±0.5。
(3)涡轮流量计：检测干扰流量。
型号：LWGYl0AP；
输入信号：24 VDC；输出信号：频率；测量范畴:0～1.2；测量精度：±1％。
(4)电动调节阀(智能电动单座调节阀)：用来调节管道出水量。
型号：QSTP-16K；
输入信号：0～10mA／4～20mADC／0-5VDC／1～5VDC；输入阻抗：250／500；输出信号：4～20mADC；输出最大负载：<500;信号断电时阀位：可任意设立为保持／全开／全关／0～100％间任意值；电源：220V±10％／50HZ。具备精度高、体积小、重量轻、推动力大、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作以便等长处。
(5)变频器：调节小流量泵。
型号：三菱FR-S520S-0.4K；
输入是220V,输出三个端任两个端子之间输出电压都是220V,输出三个端子电压进电机，电机是220V/380V。

图 3.2：变频器图示

3.3西门子SIMATIC PCS7-300
S7-300系列模块化自动化系统作为原则、容错和安全有关系统，十余过程自动化和小型独立设备自动化。
3.4变频器工作原理
由于本实验需要两个调节阀，除了电动调节阀以外，还在副回路中选用了三菱FR-S520S-0.4K变频器调节阀。当前对变频器工作原理进行分析：

图 3.3：交-直-交变频器基本主电路构成
变频器作用是通过变化电源频率来变化电机转速，也就是普通所说变频调速。变频器分为，交直交、交交变频两大类。本实验采用变频器为交直交变频，主电路某些重要由整流器器、中间滤波环节、逆变器三某些构成。
整流器作用是将定压定频交流电变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器为逆变器提供直流电源。在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。大多数中、小容量变频器中，整流器件采用不可控整流二极管或者二极管模块。　　
间直流环节 中间直流储能环节，在它和电动机之间进行无功功率互换。
逆变器将直流电源变为可调频率交流电。它作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变交流电，以实现交流电机变频调速。逆变电路由开关器件构成，大多采用桥式电路，常称逆变桥。在SPWM变频器中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号控制，将直流电逆变成三相交流电。

图 3.4：交-直-交变频器控制电路构成

控制电路某些常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路构成。重要任务是完毕对逆变器开关控制、对整流器电压控制以及完毕各种保护功能等，其控制办法可以采用模仿控制或数字控制。当前许多变频器已经采用微机来进行全数字控制，采用尽量简朴硬件电路，靠软件来完毕各种功能。
4. 双容水箱机理模型建立及实验参数拟定办法
4.1串联双容水箱机理模型建立

图 4.1：双容水箱构造

从图3 可以看出，电磁阀实际流量特性呈现很大
饱和区。实际控制时，当电磁阀工作在[0,50%]范畴内时，
输入量与输出流量基本呈线性关系。
双容水箱机理建模
依照流量平衡原理，模型描述如下：

选用不同稳态值h1 ,h2，依照参数预计可得管道流
量系数，可得：μ1 = 0.3565，μ2 = 0.3050。(6)式中各参数物
理意义和数值见表1，其中：A，S 可直接测量；g 是常数。

4.2串联双容水箱参数拟定
依照双容水箱自衡过程实验测得实验数据曲线4.2，

图 4.2：双容水箱自衡过程曲线图
对曲线4.2，被控对象传递函数分析可依照图4.3

图 4.3：双容水箱阶跃响应曲线
在单位阶跃响应曲线上取：
稳态值渐近线为；
时得曲线上点A，阶跃响应时间相应；
时得曲线上点为点B，阶跃响应时间相应；
切线为点P，过点P做切线与横轴交点相应时间为滞后时间常数；
运用下面近似公式计算参数和：
=输入稳态值/阶跃输入值= （9）
（10）
（11）
由于，故被控对象可近似化为为两个一阶惯性环节乘积形式。
滞后时间常数，由于本实验水箱容积较小，实验影响并不大，取。
按照公式计算出二阶双容水箱系统传递函数为：
（13）
（14）
5. PID控制器设计
PID控制是建立在典型控制理论基本上一种控制方略，其中，P、I、D分别代表比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Differential)一种运算关系。由于其算法简朴明了，参数物理意义明确，理论分析体系完整，易于学习推广，至今仍在工业控制中占主导地位。
5.1PID控制器原理
自动控制系统在克服误差调节过程中也许会浮现振荡甚至失稳。其因素是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具备抑制误差作用，其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差作用变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差作用就应当是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够，比例项作用仅是放大误差幅值，而当前需要增长是“微分项”，它能预测误差变化趋势，这样，具备比例+微分控制器，就可以提前使抑制误差控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量严重超调。因此对有较大惯性或滞后被控对象，比例+微分（PD）控制器能改进系统在调节过程中动态特性。
模仿控制系统中最惯用PID控制规律，其原理框图如图5.1所示

图 5.1：模仿PID控制系统原理图
PID控制器是一种线性控制器，它依照给定值R(t)与实际输出值Y(t)构成控制偏差
（15）
将偏差比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律可表达为
（16）
或写成传递函数形式
（17）
式中，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。
从系统稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑，比例、积分、微分三个环节作用可概括如下：
1) 比例环节：代表当前信息，使过程迅速反映。
比例某些数学表达式，成比例地反映了控制系统偏差信号，偏差一旦产生就可及时作用。增大可加快系统响应速度，提高调节精度，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定；减小，则会减少调节精度，使响应缓慢，延长调时间，使系统动静态特性变坏。
2) 积分环节：代表过去累积信息，可保证被控量在稳态时对设定值无静差踪。
由其数学表达式看出，只要存在偏差，控制作用就会不断累积，因而能消除稳态误差，提高系统抗干扰能力。当较大时，则积分作用较弱，系统不易产生振荡，但消除偏差所需时间较长，影响系统调节精度；当较小时，则积作用较强，能加快消除系统稳态误差，但易在响应初期产生积分饱和现象，从而起响应过程较大超调，甚至会产生振荡。
3) 微分环节：代表了将来信息，能改进闭环系统稳定性和动态响应速度。
由其表达式可见微分环节反映偏差信号变化趋势(变化速率)，可对偏差变化进行提前预报。微分作用强弱由微分时间常数决定，越大，则它抑制变化作用越强，有助于加快系统响应，使超调量减小，增长稳定性，但过度提前制动，使调节时间延长，且会减少抗干扰性能；越小，则它反抗变化作用越弱，超调量增长，系统响应速度变慢，稳定性变差。
随着微型计算机浮现，特别是当代嵌入式微解决器大量应用，计算机软件(涉及PLC指令)可代替模仿PID控制器硬件实现功能，形成了数字PID算法，具备更强灵活性。普通将数字PID控制算法分为位置式PID控制算法和增量式控制。
5.2PID控制器参数整定
参数整定是PID控制器设计和应用中核心问题，它直接影响着系统控制品质。如下简朴简介几种惯用参数整定法：
5.2.1临界比例度法
该办法是由Ziegler和Nichols提出闭环整定办法，在系统闭环状况下，用纯比例控制办法获得临界振荡数据：临界比例度和临界振荡周期，然后按公式整定控制器参数。对不容许做临界振荡实验系统，该法不能得到运用。
5.2.2衰减曲线法
衰减曲线法是在临界比例度法基本上提出来，它先在纯比例作用下找出满足衰减比比例度，对定值系统，取衰减比为4:1，测出衰减振荡周期；对随动系统，取衰减比为10:1，同步测出上升时间，然后可拟定PID控制器参数。
5.2.3试凑法
在实际实验室里采用是试凑法来拟定PID三个参数。试凑法是依照控制器各个参数对系统性能影响限度，依照上述比例、微分、积分对控制作用影响分析，边观测系统运营，边修改参数，直到满意为止。
实验室中单独对涡流流量计回路系统（红色回路）做PID控制实验，通过不断调试，达到较快动态特性和较小超调量得参数为：
（18）
其中， （19） 会得到较好微分时间常数。
再按照搭建好硬件线路，进行双闭环流量比值控制系统PID实验，其中副回路（红色回路）PID参数按公式（16）进行选取，再进行主回路（蓝色回路）PID参数调试，得到较好调节图像。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)构成。其输入e(t)与输出u(t)关系为：
u(t)=kp(e((t)+1／TI J e(t)dt+TD*de(t)／dt)
因而它传递函数为：G(s)=u(s)／E(s)=kp(1+1／(TI·s)+TD}s)其中kP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数由此咱们选取了两组参数：1．kp=2TI=1000TD=1000此时系统迅速性好，扰动后能迅速恢复。2．kp=O．5TI=5000TD=1000此时系统稳定性好，不易受扰动影响。下面是咱们采用不同参数时系统图像(为了使图像间容易比较，初始状态时电动调节阀与变频器均置零)：在启动或受到较大单位扰动时采用Kp：2TI：1000 TD：1000以保证系统迅速性。采用Kp：2TI：1000TD：1000时图像，以保证系统迅速性。

在系统稳定或受到阶跃扰动时可以采用kp：0．5TI：5000：
TD：1000以保证系统稳定性。

图释：圈中由左向右依次：1．K p--2TI=0TD=0，2．
Kp：2TI-'1000TD----0，3．Kp'-2TI：1000TD=1000
由图可以看出，只有比例环节系统超调大，调节时间
长。稳定后会有一定误差(在本图中体现不明显)。加入
了积分环节后系统性能有了很大提高，消除了稳定误差，
减小了超调量，缩短了调节时间。加入微分环节后，系统调
节速度更快，但一定限度上增长了超调量。。由于本系统控制
是慢过程，因此微分环节对系统影响很小。

图释：图中由左向右依次：1．Kp=2TI----1000TD=1000，2．
Kp：0．5TI-'1000TD=1000，

Kp----2TI=200TD-'1000，4．Kp：2TI"-1000'rD=5000由图看出第二组参数与第一组(最佳调节参数)是由于比例环节是对系统影响最大环节，比例时间常数减小后给定值与输出值之间偏差对系统影响变小，系统调节变慢，超调量变小。积分时间常数起是积分作用，对给定值与输出值之间偏差进行积分，与比例环节作用类似。积分时间常数越小它作用越大，使得系统与最佳参数相比超调量变大，是调节周期变多，调节时间变长。对于慢系统来说，微分环节影响很小，因此咱们变化微分时间常数时，对系统影响不大。

图5--3不同PID参数对不同扰动响应曲线图释：
图中由左向右依次：1．按最佳P I D参数启动(p--2，TI--1 000，TD--l ooo)，2．小阶跃扰动(最佳参数)，3．大阶跃扰动(最佳参数)，4．小阶跃扰动(P--0．5，TI--5000，TD----1000)，5．大阶跃扰动(P=0．5，TI"-5000，TD--1000)由图看出按最佳参数设定系统时，系统恢复性好，调节速度快，浮现阶跃扰动时，系统受到影响大，恢复时间快。而按照P=O．5，TI=5000，TD=1000设定系统时，系统稳定性好，不易受到影响，但恢复慢。

图5—4不1同PID参数对单位扰动响应
图释：图中由左向右依次：1．P：2TI=1000TD-'1000，2．P--0．5TI'-100面对单位扰动时最佳参数设定系统恢复快，很容易恢复稳定，但稳定性强系统恢复性较差，受到单位扰动时恢复很慢。综上，咱们系统在启动时选取最佳参数使系统较快达到稳定，稳定后选取稳定性好参数(P=0．5，T1=，TD=1000)而后依照不同扰动选取参数面对单位扰动时仍使用稳定性好参数，受到较大单位扰动时，选取最佳系统参数使系统尽快恢复稳定。

6. MATLAB仿真
本文所有被控过程仿真模型及仿真程序均基于美国Mathworks公司出品MATLAB软件进行，下面先对该软件作简朴简介。
6.1 MATLAB软件简介
MATLAB(Matrix Laboratory)，是以矩阵为基本数据单位一种程序设计语言，具备强大数值计算能力，还提供了大量功能函数、绘图、可视化建模仿真和实时控制等功能，要用于工程计算、控制设计、信号解决与通讯、图像解决、信号检测、建模设计与分析等。其中SIMULINK模块可用来建模、分析和仿真各种动态系统，它支持持续、离散及两者混合线性和非线性系统，也支持具备各种采样频率系统。在SIMULINK环境图形化接口中可采用拖放鼠标办法迅速地建立动态系统模型，具备更直观、以便、灵活长处。
6.2仿真实现
6.2.1被控对象传递函数
如图4，双闭环流量比值控制系统两个闭合回路水流分别通过主、副回路电磁动力泵从蓄水池抽入到水箱T1中，经连接阀V2流到水箱T2中，在经泄漏阀流向蓄水池。故两个回路被控对象均为双容水箱系统。
由上述对双容水箱分析和实验数据得，二阶双容水箱系统传递函数为：

也即是两个回路被控对象传递函数。
6.2.2PID参数拟定
本实验为双闭环流量比值控制系统，有两个完整控制回路。
有两个PID控制器，分别控制主副回路流量稳定值，其中副回路（红色回路）已经由流量比值控制系统单闭环实验，通过试凑法测得了一组非常好数据，见公式（16）。故只需通过MATLABSIMULINK仿真平台，进行主回路PID参数整定。
在Matlab/Siulink环境下建立二阶滞后系统PID双闭环控制系统仿真模型如图6.1所示。

图 6.1：双闭环流量比值控制系统仿真控制
依照双容水箱传递函数，设立PID调节器滞后加两个惯性环节、和一种时间滞后环节，设滞后时间为5s。依照上文分析得到副回路参数，可设定副回路PID调节器参数为：

再采用临界比例度法选定主回路PID控制器参数，设立仿真时间为500s，经调试发现，当时，示波器图像处在临界比例状态。如图6.2。

图 6.2：PID调节器临界比例状态
如图6.2中，色线为阶跃给定输入，紫色线为主回路输出跟随线，此时为紫色线等幅震荡图像。观测图像可大体预计得：
则依照表5.2，得PID整定参数为

则相应调节器参数为：

PID参数和手工再次微调得到了较好参数。最后得到主控制器PID输出相应曲线为6.3。

图 5.3：主回路PID控制响应曲线
可见，PID控制质量好坏核心取决于其参数整定。常规PID控制参数普通由人工整定，既有参数整定办法(如上述衰减比例法、临界比例度法等)大多需要提前获取对象特性参数，再依照经验公式进行计算，合用于手工离线整定，效率较低，对于难以获得精准数学模型非线性时变系统则显得无能为力；当代工业控制系统中存在不拟定性，又易导致模型参数变化甚至导致模型构造突变，使得经一次性整定得到PID参数无法保证系统始终保持良好工作状态。
7. 实验法测量双闭环流量比值控制系统
7.1双闭环流量比值控制系统工艺流程图
依照2.2节流量比值双闭环系统分析得到实验方框图如图2.2，再由此设计出双闭环流量比值控制系统工艺流程图如图7.1.

图表 6.1值双闭环系统工艺流程图

7.2实验过程
7.2.1双容水箱参数整定实验
一方面需要对双闭环流量比值控制系统被控对象进行实验，测得被控对象传递函数，由于主副回路流过同一套实验装置（3号和1号水箱啊），因此主副回路被控对象都为双容水箱自衡过程系统。

图 7.2：双容自衡水箱接线图及组态成果
如图7.2，打开主回路（蓝色）各个开关，电动调节阀、电磁流量计、主回路进水阀门及三号水箱进水阀门，关闭1好水箱入水阀门，构成双容自衡系统。在PLC面板上，电动机调节阀输入和3号水箱输出。
实验过程：给定输入流量为5%时，调节1号水箱入水阀门和出水阀门，达到3号水箱液面稳定不变，再突然加入给定信号，输入流量为15%，观测自衡过程曲线，如上图，最后3号水箱液面保持稳定。通过上述双容水箱系统机理分析及运算得到被控对象传递函数为：
7.2.2副回路PID参数整定实验
如图7.3，关闭主回路接线（蓝色），只打开副回路各个开关，并在涡轮流量计组态画面下进行PID参数界面整定。
通过不断调试，最后达到给定一种流量变化时，输出可以迅速并且以很小超调，无稳态误差输出时PID参数为：

7.2.3双闭环PID参数整定实验

图表 7.3：流量比值双闭环系统组态检测图
限于实验室当前使用现状，本实验采用西门子PLC智能控制模块，通过上位计算机直接控制系统来实现水流量控制，计算机通过采集控制台中电流、电压等信号，应用下组态监控软件构造生成上位机监控系统，并与控制对象中电动调节阀配套使用，构成调节回路。
结合实验装置水箱主体构成流量比值双闭环系统，可连线构成主副管路双容水箱流量比值控制系统实验线路。如图7.3开通磁力驱动循环泵、电动调节阀、变频器调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、3号和1号水箱等6个进水阀所构成水路系统，关闭4号、6号和温度加储水箱6个出水阀及通往其她对象切换阀，可构成双闭环流量比值控制实验线路，其中双容水箱系统阀门关合构成双容自平衡系统，并在西门子PLC实验面板上接通电动机调节阀、变频器调节阀、三号水箱水流量输入和检测控制等线路。
副回路PID参数设为单独达到流量稳定数值，依照实验2中数据代入

主回路通过试凑法，最后得到给定一种主回路输入流量值时，副回路按照流量为设定比例制2倍关系，跟随主回路变化如图7.4。.

图 7.4：双闭环流量历史曲线
如图7.4，蓝色输出曲线为电磁流量计测量值，黄色曲线为涡轮流量计测量值，达到了2倍流量比例关系，符合设定比例系数。并且按照副回路单独PID参数，副回路流量测量值（黄色曲线），不久跟随到副回路流量设定值（绿色曲线）。
8. 心得体会
在整个课程设计过程中，我切实感受到一句话——“实践出真知”分量。有些东西是教堂上课本没有——或者主线找不到，或者没有现成例子，这就要综合自己所学知识技能再加上暂时补充去解决这些问题。此设计采用双回路控制系统，方案简朴、并且在设计中采用了智能仪表可以更好适应环境变化对于控制系统规定。但是这个办法在上学时没学好，刚开始看到那流程图时没有任何头绪，大都是些没接触过东西，心里很是抗拒。可是心里还是很想做好这次课程设计，于是硬着头皮把阐明文字对着图看了好几遍，最后弄明白了整个工艺流程，并提取出需要我设计流量控制某些。
实验中遇到最大困难要数调参数了，看似简朴PID,只要变化其中任何一种参数整个系统性能就变化很大。于是我照着指引教师办法，依次调节P、I、D。尽管有理论指引，在调试过程中仍遇到不少问题，有些是粗心大意将参数设立错了，有些则是难以把握P、I、D各项数值。这是一种比较繁琐过程，但通过不懈努力，最后终于调试达到规定。
随着技术进步，人工模糊自整定PID控制在实际中应用越来越显得局限性，但是对于某些简朴控制系统来说还能达到控制规定，计算机控制以及各种智能仪表将在自动控制系统中占有绝对优势！后来本人会逐渐学习优越控制方案，应用智能控制仪表完毕更好系统控制！

参照文献
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