雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)任務(wù)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過(guò)支路1、2向上水箱注水, 在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過(guò)變頻器對(duì)下水箱 液位施加干擾。試設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。1圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3. 設(shè)計(jì)要求1）已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為:Gpds)HNS)U(s)25s 1Gp2(s)=辿廻 p2 Q(s) :H2(s)1 H1(s) _ 20s 1要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)系統(tǒng)在有、無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過(guò) 程進(jìn)行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn)

2、10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；2）針對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制， 要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別 對(duì)控制系統(tǒng)在有、無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，其中 PID參數(shù)的整定要 求寫出整定的依據(jù)（選擇何種整定方法， P、I、D各參數(shù)整定的依據(jù)如何），對(duì) 仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述；3） 針對(duì)該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施 方案圖，對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述。4. 設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測(cè)試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握， 并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測(cè)試法建模是根據(jù)工

3、業(yè)過(guò)程的實(shí)際情況對(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測(cè)試法建模一般較機(jī)理法建模簡(jiǎn)單， 特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī)理建模法。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q ；被控量：下水箱液位；控制對(duì)象特性：Gp1（s）二凹（上水箱傳遞函數(shù)）；：U1（s） 5s 1（下水箱傳遞函數(shù)）：H2(s)：H2(s)1：Q2(s) - H(s) 一 20s 1控制器：PID ；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送至

4、控制器（PID ），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號(hào)作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對(duì)象是單水箱時(shí)，通過(guò)不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象控制通道相對(duì)較長(zhǎng)， 如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)， 當(dāng)上水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過(guò)控 制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲， 進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實(shí)際生 產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無(wú)論如何調(diào)整 PID參數(shù)，都將無(wú)法得到滿意的效果?？紤]到串級(jí)控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測(cè)上水箱液位, 將液位信號(hào)送至副控

5、制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行 單回路閉環(huán)系統(tǒng) 的建模，系統(tǒng)框圖如下：可發(fā)現(xiàn)，在無(wú)干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無(wú)干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。-反饋控制系統(tǒng)性能然后，加入前饋控制，在有干擾的情況下，比較單回路控制、前饋 的變化，前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如下：岀5. 設(shè)計(jì)內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計(jì) MATLA仿真框圖如下（無(wú)干擾）：10： 1。先對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行 PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為A. 將積分時(shí)間Ti調(diào)為最大值，即 MA

6、TLAB中I參數(shù)為0，微分時(shí)間常數(shù) TD調(diào)為零，比 例帶S為較大值，即 MATLAB中K為較小值。B. 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10 : 1時(shí)，階躍響應(yīng)如下圖：0.5卜10304050參數(shù)：K1=9.8，Ti=無(wú)窮大，TD=0經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)衰減比近似10： 1，周期Ts=14s, K=9.8C.根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到PID參數(shù)：K1=9.8*5/4=12.25，取12; Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB 中 l=1/Ti=0.06 ）; TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12 , Ti=16.8 , TD=5

7、.6觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善?，F(xiàn)用控制變量法，分別改變 P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的 作用。A .保持I、D參數(shù)為定值，改變 P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：1 4° 丿；ii01D2030I4050參數(shù)：K1=16 , Ti=16.8 , TD=5.6參數(shù)：K1=20, Ti=16.8, TD=5.6比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。B.保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12 , Ti=10, TD=5.6參數(shù)：K1=12

8、, Ti=1 , TD=5.6比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)節(jié)則無(wú)余差，而且隨著Ti的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C. 保持P、I參數(shù)為定值，改變 D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12 , Ti=16.8 , TD=8.6參數(shù)：K1=12 , Ti=16.8 , TD=11.6比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小,衰減率增大，振蕩頻率增大?，F(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：Bjmd-Limited Trdnspvrt Whit電 NoiseD電layTunstar Fcn1S

9、tepPID ControllerTasfer FenScope階躍響應(yīng)曲線如下:1.41.2I0.8卜040.2-1°'o1020304050EO70參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6觀察以上曲線，并與無(wú)干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時(shí)，很難穩(wěn)定下來(lái)，出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的小幅震蕩，由此可見(jiàn)，單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情況下,很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級(jí)控制。2）串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：O當(dāng)無(wú)噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示:1.41.2108DE040200102030405060參數(shù)：K1=12 ,

10、Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=0.3比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知，串級(jí)控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率,大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：參數(shù)：K仁 12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5141.2b0.8八0.6 'Q.4 07 /i oL- 0參數(shù)：K仁 12 , Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=1.0參數(shù)：K仁 12 , Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=1.5觀察以上曲線可知，當(dāng)副回路控制器，調(diào)節(jié)時(shí)間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)了， 在干擾作用下，當(dāng)增益相同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小?？?以取得令人滿意的控制效果。6. 設(shè)計(jì)總結(jié)1）通過(guò)本次設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡(jiǎn)單系統(tǒng)特性的一般方法，并 對(duì)系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對(duì)象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識(shí)。2） 基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對(duì) PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個(gè)參數(shù)的 功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。3）通過(guò)仿真驗(yàn)證了串