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：3010203224
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：
r(t)e(t)控制器u(t)电动阀q(t)水槽y(t)m(t)差压变送器 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
u y y(∞) y(0) A B τ T0 图1-2 响应曲线法建模
D C t t 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。
3.熟悉Honeywell数字调节器的用法及调试
Honeywell UDC3300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SET UP键，再按FUCTION LOOP 1/2键进入PID参数设置，首先设置比例带PROP BD OR GAIN，范围为0.1%~9999%，按上下键进行调节，设置好后再次按下FUCTION LOOP 1/2键设置微分时间常数RATE MIN，范围为0.00~10.00min，再次按下FUCTION LOOP 1/2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LOWER DISPLAY键切换回显示模式。 4.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。可构成一阶对象和二阶对象。
执行器：Honeywell ML7420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Honeywell UDC3300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K0（无量纲）
K0??y/(ymax?ymin)
?p/(pmax?pmin)（2）求时间常数T0
先将阶跃响应曲线标准化，得相对值y*(t)?y(t) ，在标准化曲线上找到y(?)0.632与0.33所对应的时间t1与t2，则时间常数T0?（3）求纯滞后时间?0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G0(s)?二、设计步骤
t1?2.5t2 。 2K0??0se 。 T0s?11.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：
500控制器电动阀水槽? 定在30.3mm。
记录仪500图1-3 电路接线示意图
2.给仪器上电，打开水泵，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
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。
?变送器 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
K0??y/(ymax?ymin)(30.3?15.2)/(100?0)??1.22 。
?p/(pmax?pmin)30%?20%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
(t1,y1)和点(t2,y2)，则系统的纯滞后时间常数?0?t1?t0?10s，惯性时间常数
T0?t2?t1?60s
系统广义对象的传递函数为G0(s)?
需要引起注意的是，
K0??0s1.22?10se?e 。 T0s?160s?1（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统进行建模，将大大提高系统模型的精确度。
（2）实验设备所使用的电动执行器进行阀门开度变化动作时的过渡时间相当长以致于不能忽略，而由于我们采用一阶纯滞后广义对象对系统建模，这一问题实际在系统中并没有得到反映（这一问题导致我们在后期对闭环系统进行PID参数整定时必须适当减小比例系数Kp以保证系统的稳定性）。