控制系统设计与仿真课程设计报告

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1、天津大学控制系统设计与仿真课程设计报告姓名：班级：自动化5班年级：2010级学号：2013年9月设计一被控对象的实验建模一、设计要求1.了解水槽控制系统的结构及组成；本次课程设计采用的水槽控制系统为单回路控制系统，被控对象为单容自衡过程，被控变量为水槽中的液位，控制变量为水槽入水口流量，变送器采用差压变送器测量液位高度，执行器采用电动调节阀，控制器采用Honeywell数字调节器。结构图如下图所示：图1-1单回路控制系统结构图2.掌握响应曲线法建立数学模型utyτT0DtACBy(∞)y(0)图1-2响应曲线法建模采用响应曲线法对被控过程进行建模。考虑过程控制系统的复杂性（惯性时间常数大、纯

2、滞后大、非线性明显），在这里将被控对象、变送器和执行器作为广义对象进行整体建模，不再考虑每个部分单独存在时的数学模型。实验中，待水槽中液位稳定后，使电动调节阀开度作阶跃变化，幅度为最大开度的10%，测定系统输出量随时间而变化的曲线，即得阶跃响应曲线。为减少干扰对建模过程的影响，需多次重复测试，并且要分别测得施加正、反方向的阶跃信号时系统阶跃响应曲线。2.熟悉Honeywell数字调节器的用法及调试HoneywellUDC3300数字调节器（以下简称调节器）功能十分强大，在这里仅介绍与本次课程设计相关部分的使用方法。调节器有两种操作模式：手动（MAN）、自动（A）。手动模式下可以直接控制调节阀

3、的相对开度（0~100%），自动模式下可以设定PID参数及给定值。设置步骤如下：在显示模式下按SETUP键，再按FUCTIONLOOP1/2键进入PID参数设置，首先设置比例带PROPBDORGAIN，范围为0.1%~9999%，按上下键进行调节，设置好后再次按下FUCTIONLOOP1/2键设置微分时间常数RATEMIN，范围为0.00~10.00min，再次按下FUCTIONLOOP1/2键设置积分时间常数，范围为0.02~50.00min，至些参数设置完毕，按下LOWERDISPLAY键切换回显示模式。3.对整个水槽控制系统有一个整体了解被控对象：本实验系统的被控对象是二个水槽。可构成

4、一阶对象和二阶对象。执行器：HoneywellML7420电动调节阀，连接线性阀。从开度0变化至100%的过渡时间为60秒，2-10V输入信号，2-10V位置反馈信号（本次课程设计未对阀门开度进行反馈控制，阀门开度的控制为开环控制）。控制器：采用HoneywellUDC3300通用数字式控制器。控制器输出信号为分段连续模拟信号，周期约为0.2秒。变送器：DBC型电动差压变送器。本仪表在测量和自动调节系统中作检测环节，与节流装置配合可连续可以测量两个不同比重液体的界面，并将被检测量的变化转变成为4-20mADC，统一电流信号输出。测得A/D转换单元的采样周期约为1秒。5.单回路控制系统的最佳参

5、数的计算方法可以采用前面叙述的图解法确定参数，为保证精度，本次课程设计采用计算法确定一阶环节的特性参数。（1）求静态放大系数（无量纲）（2）求时间常数先将阶跃响应曲线标准化，得相对值，在标准化曲线上找到0.632与0.33所对应的时间与，则时间常数。（3）求纯滞后时间方法与前面的图解法相同。最后得到广义对象的开环传递函数。二、设计步骤1.设计控制系统接线图，联接导线。记录仪参数设置：首先调整好记录仪零点；设置量程为：10v；设置走纸速度：12mm/min。注：两个电阻均为500将4-20mA电流信号转换为2-10V电压信号。电路接线示意图如下图所示：图1-3电路接线示意图2.给仪器上电，打开

6、水泵，同时缓慢打开管道上的阀门。3.把调节器调至手动状态，调节电动阀开度使其保持在30%，一段时间后液位稳定在30.3mm。4.打开记录仪开始记录，当液位稳定后，突然改变调节器的输出，使调节阀的开度突然增加10%，由30%变为40%。5.用记录仪记录下液位的变化情况，直到液位稳定，稳定液位高度为42.5mm。6.突然改变调节器的输出，使调节阀的开度突然减少10%，由40%变为30%，待液位稳定后记录液位高度为30.0mm。7.重复步骤3到6，得到同一工作点的另一组阶跃响应曲线。8.用得到的四条阶跃响应曲线计算出一阶水槽的数学模型。图1-4由记录仪记录的阶跃响应曲线初始状态阀门开度30%，系统

7、液位高度稳定在30.3mm。施加10%开度增大的扰动，系统液位稳定后液位高度为42.5mm。得静态放大系数。过阶跃响应曲线斜率最大点作曲线的切线，与初始值和终值分别交于点和点，则系统的纯滞后时间常数，惯性时间常数系统广义对象的传递函数为。需要引起注意的是，（1）由于广义对象存在非线性特性，在不同的工作点下建模所得到的数学模型并不完全相同，因此要对系统投入生产后的工作点有一个大致的估计，在这一工作点附近对开环系