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东华理工大学高等职业技术学院

计算机辅助设计实习报告

姓名:汪方操

专业:电气自动化

班级: 1240803

学号:201240080317

指导老师:夏洪

2014年10月24日

摘要:以喷雾式乳液干燥系统为例,简要的进行了系统的分析、设计过程,并利用simulink对不同的设计方案进行仿真及比较,根据工业生产实际选出了最佳的设计方案,根据“经验法”对PID控制参数进行了整定,得到了较为满意的控制品质。

关键词:设计 仿真 PID控制器 参数 整定 1. 前言

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。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PID控制技术。本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。

2.课程设计要求

(1)查阅资料,在东华理工大学网查资料。查询5篇科技期刊论文。 (2)画出生产奶粉的控制系统的框图。 (3)选定控制系统的三个参数:Kp,Ki,Kd。

(4)选定系统的输入为单位阶跃输入:用simulink画出系统的输出曲线。 (5)用MATLAB求出该系统的单位阶跃响应。 (6)用MATLAB画出系统的bode图。

(7)求出系统的性能指标:超调量,稳态误差,调节时间,上升时间。

(8)进一步优化系统,改变Kp,Ki,Kd的数值,使超调量,稳态误差,调节时间,

上升时间更加理想。

3.喷雾式乳液干燥系统生产过程及工艺要求概述

图2.1 喷雾式乳液干燥过程示意图

图2.1 喷雾式乳液干燥过程示意图,通过空气干燥器将浓缩的乳液干燥成乳粉。已浓缩的乳液由高位储槽流下,经过滤器,然后从干燥器顶部喷嘴喷出。干燥空气经热交换器加热、混合后,通过风管进入干燥器与乳液接触,将乳液中的水分蒸发形成乳粉。要求乳粉质量高,含水量波动不能太大。由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固话,也不能用泵抽送,因而采用高位槽的办法,也就是槽中盛了鲜奶,再通过加热干燥使水分蒸发,使之成为奶粉。由于需要蒸发掉乳液中的水分,使之成为粉状物,并随湿空气一起送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高,水分含量不能波动太大,因而需要对干燥的温度进行严格控制。试验证明,若温度波动在正负2度以内,则产品质量符合要求。

4控制方案设计

4.1被控参数选择

按照生产要求,产品的质量取决于乳粉水分的含量。湿度传感器的精度低、滞后大,不易实现精确、快速的测量。而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切相关,且容易找到单值对应关系。因而可选择干燥器的出口温度作为被控参数(间接),从而实现对奶粉水分控制。

4.2控制变量选择

影响干燥器出口温度的变量有乳液流量[记为f1(t)]、旁路空气流量[记为f2(t)]、加热蒸汽量[记为f3(t)]三个因素,通过图2.1的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。选择其中之一均可得到相应的控制方案。以下我选择旁路空气流量f2(t)为控制变量

以旁通冷分流量f2(t)为控制变量,得到控制方案方框图:

图3.2.2 方案2对应的方框图

5.通道分析:

5.1各环节的放大系数均为1;

5.2温度测量变送器:假定温度测量变送元件的时间常数为5秒即,

Gm(s)?15s?1 ;

5.3干燥器:干燥温度对于乳化物流量,对于热风温度都看作是3个时间常数为8.5s,滞后时间为2秒的对象,即干燥器特性为

G(s)?1e?2s?8.5s?1??8.5s?1??8.5s?1?;

5.4风管:只是一个流动通道,可近似的看作是一个滞后环节,对应于操作时的热风流速,滞后时间为3秒

G(s)?e?3s

5.5两个时间常数为100s的环节

G(s)?1?100s?1??100s?1?

5.6混合过程:加热器热风与旁路冷风的混合过程,可以看作时间常数为100秒的环节

G(s)?1?100s?1?

6仿真及分析: Simulink仿真方案:

图3.4.3 方案2 simulink仿真图

图3.4.4 方案2 simulink仿真结果图

由于一阶惯性环节的时间常数T和纯滞后t,相对于方案1控制通道有一定的之后,控制变量对干燥器的反应不够灵敏干扰f1(t)影响较大,而干扰f2(t)引起的动差小而且平缓。

7.PID参数整定

7.1 利用衰减曲线法进行的整定: 整定参数 调节规律 P I D P Ti Td P 1.2P 0.8P 0.5TS 0.3TS 0.1TS 表1 衰减比4:1时,衰减曲线法整定参数计算参考表

首先将P置较大的数值,Ti=,Td=0.第一次置的值为10,发现系统已经发散,说明P 的值过大。

适度的减小,直至出现衰减震荡。如果衰减的比例大于4:1,说明P的值过小,需适 当的增大。经过多次试探可确定最终的P值为4.

图4.1 P=10系统响应曲线 图4.2 P=4 系统响应曲线

7.2 利用workspace的数据,可得第一个峰值为y1=1.2196,y2=0.9161,y()=0.8086;

于是

满足条件。此时TS=231.41-86.85=144.56S.

整定参数 调节规律 P I D P Ti Td 4 4.8 3.2 72.28 43.368 14.456 表2 根据P确定的PID整定参数计算表

7.3 整定完成后系统仿真图

7.4 PID控制结果

PID整定后系统性能指标 超调量=63.37% 稳态误差=0 Ts=100s Tr=60.22

8.干扰仿真

F3(t)蒸汽流量扰动,延迟500秒仿真图

F1(t)乳液流量扰动,延迟500秒仿真图

F1(t)与F3(t)同时作用,延时500秒仿真图

没有扰动作用:

需要说明的是由于生产的实际,我们总是希望系统的生产能力处于最大的状态,也就是说乳液的流量f1(t)对应的阀门始终处于最大的开度状态,这样f1(t)的扰动基本上是为零的,这样PID调节器对于生产实际已经能满足要求。

综上所述,对于衰减法进行的PID参数整定,很重要的一点是如何确定P值,一旦P值确定后,便可根据经验的表格进行计算得出相应的结果。需要说明的是上述表格得出的结果只是一个参考值,如果整定的效果仍旧不满意可以进行相应的微调,直至满意为止。

8.2. 系统进行微调后的图形

系统性能指标:超调量=7.05% 稳态误差=0 Ts=150s Tr=76.5055s

9. MATLAB指令画图

9.1系统单位阶跃响应 指令代码 clear clc s=tf('s')

G=[(3.2*(1+1/(43.368*s)+14.456*s)*(5*s+1))-((1/s)*(5*s+1)*(s+3)*(100*s+1))+((5*s+1)/(100*s+1)/(100*s+1))]/[(3.2*(1+1/(43.368*s)+14.456*s))+((100*s+1)*(s+3)*(5*s+1)*(8.5*s+1)*(8.5*s+1)*(8.5*s+1))] %step(G) bode(G)

9.2 结果

加入两个扰动系统单位阶跃响应图

系统伯德图:加入两个扰动

没有扰动伯德图:

没有扰动作用单位阶跃响应图:

F3(t)扰动单独作用单位阶跃响应图:

F3(t)扰动单独作用伯德图:

F1(t)扰动单独作用单位阶跃响应图:

F1(t)单独作用伯德图:

10.结束语及感悟

感谢夏老师的指导,使我明白了PID控制因其简单、易用而广泛应用于工业现场。本次正是以工业生产实际为标准进行的设计。其实不难发现,控制的最后对于干扰的预制并不是太好。如果进行多级控制,在最后的输出再增加一个负反馈回路,形成反馈回路,达到的控制效果将会更好。读完五篇参考文献,使我明白了科学的严谨。PID控制的特点以及参数整定。喷雾式乳液干燥器的特点及工作原理。本次试验收获颇多。

11.参考文献

[ 1]. 李华, 范多旺, 魏文军, 等. 计算机控制系统[ M] . 北京: 机械工业出版社, 2007. [ 2]. 王树青. 工业过程控制工程[ M] . 北京:化学工业出版社, 2004.

[ 3]. 刘金琨. 先进 PID 控制及其Matlab 仿真[ M] . 2 版. 北京: 电子工业出版社, 2006. [ 4]. 朱麟章. 过程控制系统及设计[ M] . 北京: 机械工业出版社, 1996. [ 5]. 李少远, 王景成. 智能控制[ M] . 北京: 机械工业出版社, 2005.