雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計2

1、題目：雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計一. 設(shè)計任務(wù)與要求如圖1所示的兩個大容量水箱。要求水箱2水位穩(wěn)定在一定高度，水流量經(jīng)常波動，作為擾動量存在。試針對該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計一個液位流量串級控制方案。 水箱2圖1 系統(tǒng)示意圖1）已知主被控對象（水箱2水位）傳遞函數(shù)W1=1/(100s+1, 副被控對象（流量）傳遞函數(shù)W2=1/(10s+1。2） 假設(shè)液位傳感器傳遞函數(shù)為Gm1=1/(0.1s+1，針對該水箱工作過程設(shè)計單回路PID 調(diào)節(jié)器，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，并給出PID 參數(shù)整定的方法與結(jié)果； 3） 假設(shè)流量傳感器傳遞函數(shù)為Gm2=1/(0.1s+1，針對該水箱工作過程設(shè)計液位

2、/流量串級控制系統(tǒng)，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，并給出主、副控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)整定方法及結(jié)果；4） 在進口水管流量出現(xiàn)階躍擾動的情況下，分別對單回路PID 控制與串級控制進行仿真試驗結(jié)果比較，并說明原因。二. 設(shè)計任務(wù)分析1）此控制系統(tǒng)是以調(diào)節(jié)閥門開度改變進水大小作為控制手段，目標(biāo)是控制水箱2液位處于一個穩(wěn)定高度。2）串級控制系統(tǒng)：串級控制系統(tǒng)有兩個回路，其內(nèi)回路是粗調(diào)，外回路是細調(diào)。對此控制系統(tǒng)，內(nèi)回路以流量作為信號控制進水閥開度，調(diào)節(jié)進水量，在有擾動情況下可以提早反應(yīng)消除擾動引起的波動，從而使主控對象不受干擾，另外內(nèi)回路的給定值受外回路控制器的影響，根據(jù)改變更改給定值，從而保證負荷

3、擾動時，仍能使系統(tǒng)滿足要求 ( zs G -執(zhí)行器的傳遞函數(shù) ( us G -控制閥的傳遞函數(shù) 12( ( m m s s G G -主副變送器傳遞函數(shù)01( s G02( s G -主副對象的傳遞函數(shù) 1( T s G 2( T s G -主副控制器的傳遞函數(shù)3 單回路控制系統(tǒng)：對于此系統(tǒng)，若采用單回路控制系統(tǒng)控制液位，以液位主控制信號反饋到控制器PID ，直接去控制進水閥門開度，在無擾動情況下可以采用，但對于有擾動情況，由于控制過程的延遲，會使控制不及時，造成超調(diào)量變大，穩(wěn)定性下降，控制系統(tǒng)很難獲得滿意效果 三單回路PID 控制的設(shè)計（1）無干擾下的單回路PID 仿真方框圖 PID 整定與

4、仿真曲線，采用衰減曲線法，整定依據(jù)是純比例下的實驗數(shù)據(jù)，取衰減比為4:1。設(shè)置積分時間Ti=，微風(fēng)時間Td=0，改變比例帶，找出最佳整定曲線，根據(jù)經(jīng)驗公式求出，Ti ，Td 的數(shù)值衰減曲線法整定計算公式（4:1情況下） Kp=38時衰減比接近8:1，不符合 Kp=42時衰減比接近6:1，不符合 Kp=44時衰減比接近4:1符合。測得Ts=30s ，=44*5/4=55，Ti=0.3Ts=9s， Td=0.1Ts=3s（2）干擾下的單回路PID 仿真方框圖 Kp=38時曲線不穩(wěn)定 Kp=42時曲線不穩(wěn)定 Kp=44時曲線不穩(wěn)定單回路系統(tǒng)分析：在單回路中，由仿真曲線可知，無干擾情況下，系統(tǒng)可以趨于

5、穩(wěn)定；但當(dāng)加入干擾后，系統(tǒng)很難穩(wěn)定。四. 串級控制的設(shè)計（1）無干擾下的串級控制仿真方框圖 在串級控制系統(tǒng)中，主回路是定值控制系統(tǒng)，為了主變量的穩(wěn)定通常采用PI 控制器，而副控制器是隨動系統(tǒng)，采用P 控制器就可以滿足要求。在調(diào)整過程中采用一步法即可無干擾下仿真曲線 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=2 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=4與單回路比較可知，串級控制過渡時間相對縮短了，而且系統(tǒng)更加穩(wěn)定。（2）干擾下的串級控制仿真方框圖 干擾下仿真曲線 Kt1=44，Ti =10，Td=2， Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=2 Kt1=44，Ti =10，Td

6、=2，Kt2=4 Kt1=47，Ti =10，Td=2，Kt2=2 Kt1=50，Ti =10，Td=2，Kt2=2串級系統(tǒng)分析：比較上面的曲線，當(dāng)加大Kt2時，調(diào)節(jié)時間縮短，當(dāng)加大Kt1時，系統(tǒng)超調(diào)量加大。五. 單回路和串級對流量擾動抑制作用比較由單回路與串級控制的仿真曲線相比，可以得出串級控制過渡時間小，最大偏差小，對擾動抑制作用更加及時有效，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，抗干擾能力更強。六. 設(shè)計總結(jié)在做這次課程設(shè)計過程中，我運用了實驗課上學(xué)到的知識，并且與課本中的理論知識相結(jié)合，對PID 調(diào)節(jié)器中的P 、I 、D 各個參數(shù)的功能、特性有了深刻的認識，并且基本掌握了PID 參數(shù)整定方法，對課本上的相關(guān)知識有了更深