計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)雙容水箱串級(jí) PID 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真姓名：江潔非班級(jí)：電氣 111學(xué)號(hào)： 201110231018雙容水箱串級(jí)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真電氣 111 , 201110231018江潔非1、冃U 言：雙容水箱系統(tǒng)是較強(qiáng)代表性的工業(yè)對(duì)象，具有非常重要的研究意義和價(jià) 值，通過(guò)改變其閥門的關(guān)閉或打開狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變的對(duì)象，如一階對(duì)象、二階對(duì)象等。同時(shí)也是典型的非線性、時(shí)延對(duì)象，通過(guò)其可進(jìn)行非線性系統(tǒng) 的辨識(shí)和控制等相關(guān)研究?？蓸?gòu)成單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、復(fù)雜過(guò) 程控制系統(tǒng)等，可為各種控制系統(tǒng)的研究提供參考依據(jù)。雙容水箱系統(tǒng)的控 制主要通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，可由計(jì)算機(jī)編程

2、實(shí)現(xiàn)各種控制算法來(lái)對(duì)水箱系統(tǒng) 進(jìn)行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗(yàn)平臺(tái)。可在控制過(guò)程中改變 組合的狀態(tài)，從而模擬故障，這也為故障診斷的研究提供了研究對(duì)象和試驗(yàn) 平臺(tái)。2、研究的原理2.1、雙容水箱數(shù)學(xué)模型為下水箱的水位h2。由物料平衡方程可得：上水箱：dh11Q QdtA下水箱：dh2 dt1雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成如右圖所示， 由上水箱、下水箱串聯(lián)在一起，水首 先進(jìn)入上水箱，然后通過(guò)閥 R1流入 下水箱，再通過(guò)閥R2從下水箱中流 出。流入量Q0由變頻器控制泵來(lái)調(diào) 節(jié)，流出量Q2由用戶改變。被控量糾、其中A1、A2分別為上下兩容器截面積，Q ku ,Q 虹，QRR2為兩閥門線性化水阻。2整理上述

3、各式得：證帶dh2(t )dth2(t )kR2u(t )其中：T1 A|R1, T2 A&兩邊作拉氏變換得:H/ s)kR2U(s)T1s1 T,s1加上純滯后環(huán)節(jié)后：寫T1s1 T2s2.2、雙容水箱PID控制原理PID控制是最早發(fā)展起來(lái)算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高的控制策略之一， 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制。PID控制器就是采用比例(P)、積分(I)、微分 (D)的規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)的自動(dòng)控制器。 它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t) 構(gòu)成的偏差信號(hào)e(t)將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被 控對(duì)象進(jìn)行控制。其數(shù)學(xué)模型可表示為：u(t)Kp e(t) 1 e(t )d

4、(t ) Td 翌工(9)Ti odt(9)式中u(t)為控制器的輸出；e(t)為控制器的輸入；Kp為控制器的比例系數(shù)； T1為控制器的積分時(shí)間；TD為控制器的微分時(shí)間。比例作用能及時(shí)成比例地反 應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，起快速調(diào)節(jié)作用，迅速克服偏差。系數(shù)Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但可能產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定；如果Kp取值較小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，響應(yīng)速度緩慢，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)特性 變壞。積分作用可保證被控量在穩(wěn)態(tài)值，當(dāng)TI較大時(shí)，則積分作用較弱，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程不易產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差所需的時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng) TI較小時(shí)，則積 分作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程中有可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，

5、 但消除偏差所需的時(shí)間較 短。微分作用的主要是改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度，其作用強(qiáng)弱由微分時(shí)間常數(shù)TD決定。2.3、串接PID控制的實(shí)現(xiàn)r2=m1c2cir1圖2串級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如上圖所示，系統(tǒng)中有兩個(gè) PID控制器， 包圍副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)的內(nèi)環(huán)稱為副回路。 包圍主調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)的外環(huán)稱為主 回路。主調(diào)節(jié)器的輸出控制量 mi作為副回路的給定量r2.串級(jí)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)順序是先主回路(PID1)后副回路(PID2)?？刂品绞接?兩種：一種是異步采樣控制，即主回路的采樣控制周期T1是副回路采樣控制周期T2的整數(shù)倍。這是因?yàn)橐话愦?jí)控制系統(tǒng)中主控對(duì)象的響應(yīng)速度慢、副控對(duì) 象的響

6、應(yīng)速度快的緣故。另一種是同頻采樣控制，即主、副回路的采樣控制周期 相同。這時(shí)，應(yīng)根據(jù)副回路選擇采樣周期，因?yàn)楦被芈返氖芸貙?duì)象的響應(yīng)速度較 快。串級(jí)控制的主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 、將干擾加到副回路中，由副回路控制對(duì)其進(jìn)行抑制;（2）、畐曬路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，對(duì)主控制器的影響大為減弱；（3）、副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)，因而提高了整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度3、原理的應(yīng)用仿真按照數(shù)學(xué)模型，忽略兩個(gè)水箱之間的相互影響，主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)為：G（s）0.8656e 7246s 1G(s)1. 34e15s335.2s 13.1、單閉環(huán)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打開matlab建立如圖3所示的simulin

7、k模型。PID參數(shù)以衰減曲線法整定?？?制系統(tǒng)中控制器參數(shù)設(shè)置成Kp作用，使系統(tǒng)投入運(yùn)行，逐漸把比例度S從大逐漸 調(diào)小，直至出現(xiàn)4:1衰減過(guò)程曲線。圖3在simulink中，把反饋連線斷開，“KI”和“KD都置為“ 0”，“Kp”的值 從大到小進(jìn)行試驗(yàn)，每次仿真結(jié)束后，觀察輸出，獲取系統(tǒng) 4:1衰減振蕩曲線。 PI控制整定時(shí)，比例放大系數(shù) K吐2.1666，積分時(shí)間常數(shù)Tl= 494.5，貝U KI =0.00438，輸入“ KP、“KI”，將“ KD置為0,運(yùn)行系統(tǒng)，雙擊“ scope ”得到如圖4所示的結(jié)果，得到PID控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)圖43.2、串級(jí)PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)先主回路開環(huán)

8、，建立的simulink框圖如圖5所示。當(dāng)KP = 18時(shí)，副回路階 躍響應(yīng)如圖6所示。磴）一 PIO hPIC1 ScrM TrjjrMetay圖5圖6此時(shí)從圖6可以看出衰減比約為 4:1，進(jìn)入主回路閉環(huán)狀態(tài)，取 Kp = 0.28 整定主控制器，此時(shí)的simuli nk框圖如圖7所示。調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器，當(dāng)Kp1= 7,將主回路閉環(huán)的條件下重新整定副控制器參數(shù)，當(dāng)Kp= 0.28 , Kp1=7,KI =0.01815時(shí)，反復(fù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖8所示。此時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)比較理想，也即整定的主回路的參數(shù)比較合適。圖8由圖8可知，上升時(shí)間Ts=400s超調(diào)量M=34.63%,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩次震蕩

9、后趨 于穩(wěn)定，系統(tǒng)靜態(tài)誤差小于0.03,均滿足要求。3.3、串級(jí)控制系統(tǒng)和單閉環(huán)控制系統(tǒng)的比較如圖9將串級(jí)控制系統(tǒng)和單閉環(huán)控制系統(tǒng)的 simulink模型搭建在一起，并在 同一示波器scopel顯示其階躍響應(yīng)曲線如圖10：圖9圖10 （紫色為單回路，黃色為串級(jí)控制）由圖10可作出下表：表1 系統(tǒng)采用單回路控制和串級(jí)控制的對(duì)比性能指標(biāo)單回路控制Kp仁 2.1666Ki=0.00438串級(jí)控制Kp1=7Ki=0.01815Kp=0.28上升時(shí)間:450s400s峰值時(shí)間750s750s超調(diào)量50%34%調(diào)節(jié)時(shí)間3300s2500s由圖10和表1分析可得：串級(jí)系統(tǒng)縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的快速性，

10、 減小了超調(diào)量提高了準(zhǔn)確性。4、結(jié)論本研究的收獲，研究的意義，研究的應(yīng)用，原理與技術(shù)的今后發(fā)展。 通過(guò)以上理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：（1） 、在上述雙容水箱的控制系統(tǒng)中，副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)，提高了 整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。（2）、控制系統(tǒng)由主回路和副回路雙閉環(huán)構(gòu)成，副回路的變化對(duì)主回路影響較小， 可先調(diào)副回路的pid再調(diào)整個(gè)系統(tǒng)。（3） 、當(dāng)中間變量能夠被檢測(cè)出來(lái)，而控制性能又要求很高時(shí)，或當(dāng)副對(duì)象具有 很大的滯后時(shí)，采用串級(jí)控制是非常有效的控制手段。（4） 、在實(shí)際中，一般單回路控制方案質(zhì)量達(dá)不到要求時(shí)，采用串級(jí)控制方法是 很有效的控制手段。5、參考文獻(xiàn)1 李華、范多旺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社；2007.4（ 2013.1重?。?/p>