雙容水箱液位控制結(jié)題研究報告

1、雙容水箱液位控制結(jié)題研究報 告作者:日期:5自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)結(jié)題報告學校：北京工業(yè)大學學院：電控學院專業(yè)：自動化班級： 組號：第五組組員：實驗日期:指導教師:目錄一、課程設(shè)計任務(wù) 3二、被控對象的模型及分析 5三、系統(tǒng)控制方案論證 7四、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計步驟 8五、實驗過程論述 8六、實驗結(jié)果及分析 12七、總結(jié)12八、附錄12、課程設(shè)計任務(wù)1、課程設(shè)計目的(1)掌握自動控制系統(tǒng)的分析與控制器設(shè)計方法。(2)掌握基于MATLAB勺系統(tǒng)仿真方法(3)掌握基于實驗方法確定系統(tǒng)模型參數(shù)的方法(4)掌握基于物理對象的控制系統(tǒng)的調(diào)試方法(5)培養(yǎng)編制技術(shù)總結(jié)報告的能力。2、被控對象：

2、雙容水箱系統(tǒng)3、性能指標要求衰減率4:110:1,超調(diào)量Mp10%調(diào)節(jié)時間Tsth2 (t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2(oo);h2(t)今0典(0 0.412(00135)、 T1T2 2(T1 T2)22.16一t1 c 、(1.740.55)t2對于式(1-6)所示的二階過程，0.32vt1/t2V0.46。當t1/t2=0.32時，為一階環(huán) 節(jié)；當t1/t2=0.46時，過 程的傳 遞函數(shù) G(S)=K/(TS+1)2 (此 時 T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 )過曲線的拐點做一條切線，它與橫軸交于 A點，OA即為滯后時間常數(shù) 下圖為我們組建立的數(shù)學模型：圖2-4階躍響應(yīng)曲線2)

3、、h2 (t) |t=t1=0.4惚8)時曲線上的點 A和對應(yīng)的時間t1；3)、h2 (t) |t=t2=0.8 h2(oo)時曲線上的點B和對應(yīng)的時間t20然后，利用下面的近似公式計算式1-6中的參數(shù)K、T1和T2。其中:h2()輸入穩(wěn)態(tài)值Ro階躍輸入量t1 t2雙容傳函：H2(S)0.88*15sG(S)iQi(S)(114.15* S 1)(72.28* S 1) e6 _0.457*12s單容傳函:G(S)*(59.25* S 1) e乂0 .457 * S 1 .93*總傳函：G (S)2* q(8250 .762 * S 2186 .43 * S 1) e2、雙容水箱系統(tǒng)數(shù)學模型的

4、分析雙容水箱系統(tǒng)的等效傳函是個二階慣性環(huán)節(jié)， 從圖上可以看出水箱系統(tǒng)的滯后包 括兩個部分，一部分是由于傳輸延時造成的純滯后，另一部分是有水箱自身的容 量滯后。由于系統(tǒng)是二階慣性環(huán)節(jié)，所以開環(huán)曲線呈“ s”型。三、系統(tǒng)控制方案論證1、選用的控制方法：PID控制方法2、控制方法簡介PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：(1)比例控制(P):比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出 與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當僅有比例 控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差(2)積分控制(I):在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分 成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存

5、在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控 制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”積分項 對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便 誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài) 誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出 現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤 差。(3)微分控制(D):在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制

6、 誤差的作用，具變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的 變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。調(diào)管規(guī) 律優(yōu)點M 點應(yīng)用P員觸,荷單.只有 一個整定善數(shù)T存在靜差制荷變化不顯著+ 藝指 標要求不高的對翻.PI能消除靜差，又控 制氯敏對于滯后較大的對 象.比例積分調(diào)節(jié)太 慢，效果不好.應(yīng)HIF調(diào)后通道容鼠滯后 技小，負荷變化不大、精 度要求高的調(diào)方系統(tǒng).例 如，流量調(diào)甘茶統(tǒng).PD增進蠲百票統(tǒng)的檜 定度T可啊小比例 度.而加快調(diào)節(jié)過 程.減小動態(tài)偏差 和靜差系統(tǒng)對高糖干擾特別 敏感.系統(tǒng)噴出易夾 雜高翔干擾.應(yīng)用于調(diào)節(jié)遹道容量滯后 較大.但調(diào)節(jié)精度要求不 高的對

7、象.PID壕合了各類調(diào)節(jié)作 用的優(yōu)點.所以有 更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量.對于滯后很大，負荷 變化很大的對我,PD 調(diào)節(jié)也無法*足要 求*應(yīng)設(shè)計復雜調(diào)節(jié) 系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容員滯后 鞭大，負荀變化幄大，精度要求奇的對象匕初步采取的方案：副回路：比例控制PID 主回路：比例積分控制PID四、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計步驟1、控制結(jié)構(gòu)：用級控制系統(tǒng)2、控制器的設(shè)計：逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。具體步驟為： 先斷開主回路，整定副控制器。后閉合主回路，整定主控制器。重新調(diào)整副控制器參數(shù)。若未達到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。以上3、4步驟循環(huán)進行，直到滿足控制指標為止。對于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標要

8、求，逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費時較多 仿真及PID參數(shù)調(diào)節(jié)：副回路整定參數(shù)：P: 35I: 1.2D: 15技術(shù)指標：Mp=5%Ts： 45s Ess=0鼻 E主回路整定參數(shù)：P: 30 I: 0.18 D: 40技術(shù)指標：Mp=9%Ts： 25s Ess=0五、實驗過程論述在課設(shè)的開始階段，我們先熟悉了一下實驗所用到的儀器及軟件，并對實驗過程和目的進行了一番學習及了解。接下來我們便進入到了對單/雙容水箱的特性測試，也就是對變送器的調(diào) 試，由于主副回路變送器的滑變總是自動跳數(shù)，所以導致我們組花了很長的時間去確定零點電壓及線性關(guān)系。最后主副回路零點電壓基本分別穩(wěn)定在了1.04v

9、和1.1Vo然后便是對水箱數(shù)學模型的建立以及控制結(jié)構(gòu)與控制器的設(shè)計與仿真。（也就是我前面所陳述的傳函的測試與建立， 以及我們組所選擇的審級控制系統(tǒng)和 PID 整定方法）此階段我們組完成的還算比較順利，雖然不能保證所得傳函一定百分 百準確，但PID參數(shù)的調(diào)試及仿真結(jié)果還算比較令人滿意。最后便進入到了實時控制階段。當我們天真的以為仿真調(diào)參過后已經(jīng)接近成0 當我們 不僅響應(yīng)功的時候，實時控制的結(jié)果告訴我們，理想和現(xiàn)實果然還有一定的差距 搭好模型并采用我們仿真所調(diào)試的參數(shù)進行測試后驚奇并失望的發(fā)現(xiàn)， 曲線不對，連液位都無法穩(wěn)定。一陣挫敗感過后，實驗依然得繼續(xù)，我們便進入主回路用比系統(tǒng)依然 至此實驗了新

10、一輪的調(diào)參活動中，最終我們確定的方案是副回路用比例控制， 例積分控制。當我們隨意給定系統(tǒng)幾個液位值并加入各種形式擾動后， 能恢復穩(wěn)態(tài)，雖然調(diào)節(jié)時間略 長，但其它性能指標要求已基本滿足。 基本告以段落。實時控制結(jié)構(gòu)圖PID參數(shù)整定方法：兩步法第一步，整定副控制器;P=3.5I=0.2第二步，整定主控制器, 副回路：比例控制 P=1.5 主回路：比例積分控制技術(shù)指標：Mp=0 Ts=75s Ess=0加擾動后：Mp=0 Ts=65s Ess=02給定4cm主水箱以加大閥門開度的形式引入擾動技術(shù)指標： Mp= 7.5%Ts=110s加擾動后：Mp= 6.25%Ts=75s11六、實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)

11、果：從圖中可以看出，在我們隨意給定2cm和4cm以及加入適當擾動后， 系統(tǒng)依然能恢復穩(wěn)定并保證無靜差且響應(yīng)曲線較好，但由于更正系統(tǒng)參數(shù)后時間 緊迫使得在選擇PID參數(shù)時不夠精確，導致響應(yīng)時間未能達到小于 45秒。分析：縱觀我們組整個實驗過程以及最后響應(yīng)曲線的呈現(xiàn)，我總結(jié)出以下幾個問題：(1)仿真的階躍響應(yīng)曲線與實際曲線之間存在一定的差別。仿真處于理想狀態(tài)，而實際是不可能處于理想狀態(tài)的，系統(tǒng)受到了個個方面的干擾，其次，我組在計算系統(tǒng)參數(shù)的時候采用了大量的近似計算，所以這也有可能造成了仿真與實際系統(tǒng)之間的誤差。(2)實際液位與示波器顯示的差別這個問題是我們組在進行實時控制時遇到的。 剛開始我們以為

12、是儀器壞了，可后 來經(jīng)過驗證，結(jié)果有兩方面原因：1從頭開始我們組的萬用表就是壞的 2.由于變 送器的跳變使得水箱的線性關(guān)系并沒有那么準確。(3)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間過長雖然P I D三部分各有各自的特點，但在調(diào)節(jié)過程中他們的作用畢竟還是相互的， 正所謂牽一發(fā)而動全身。但由于時間關(guān)系，我們組未能更精確地調(diào)整參數(shù)， 所以 導致系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間未能達到小于 45秒。七、總結(jié)此次為期一周的課設(shè)實驗使我收獲頗豐。首先是讓我們有了一次將理論與實踐相結(jié)合的機會。雖然相關(guān)的知識在 理論課上都有涉及，但到了實際應(yīng)用中又是另一回事兒。 從參數(shù)的測量，系統(tǒng)控 制方法的選擇，控制器的設(shè)計以及最后在實物上進行測試， 讓我們對工業(yè)控

13、制的 過程有了更清晰的了解。其次，這次課設(shè)讓我們更加熟悉了仿真軟件 MATLAB的使用以及“實 時控制”這個我們以前完全沒有接觸過的東西。 同時，這次試驗也讓我們對自控 及過控書上的知識進行了復習以及應(yīng)用。其實這次課設(shè)對我們組而言也應(yīng)吸取一些經(jīng)驗和教訓。比如我們的實時控制一直出不來，直到周五下午才在老師的幫助下發(fā)現(xiàn)， 原來我們所用的萬用表 一直是壞的，導致我們要在三個小時之內(nèi)重新調(diào)零調(diào)參測曲線， 可見一個小小的 疏忽不僅浪費了時間還對實驗結(jié)果的質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。還好比較幸運的是我們基本順利的完成了此次課設(shè)，實驗結(jié)果也較為滿 意。最后特別感謝老師的指導以及其它組同學在忙碌之余對我們組伸出的橄

14、欖 枝，我們以后會再接再厲，多參加一些這樣的實習，提高自己的實踐經(jīng)驗，為以 后工作打下堅實的基礎(chǔ)。7、附錄附件1: THBDC-1型控制理論計算機控制技術(shù)實驗平臺硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實驗平臺提供電源。有土5V/0.5A、 15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護自恢復功能。 它們的開關(guān)分別由相應(yīng)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機單元。實驗前，啟動實驗平臺左側(cè)的空氣開關(guān)和實驗臺上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將士5V、15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實驗時，通過2號連接導線將直流電壓接到需要的位

15、置。二、低頻函數(shù)信號發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦波信號、三角波信號、方波信號、斜波信號和拋物波信號。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7kHz、700Hz 10kHz 三檔，Vp-p 值為 16V。使用時先將信號發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和 幅值，并通過2號連接導線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個鎖零按鈕，用于

16、實驗前運放單元中電容器的放電。當按下按鈕時， 通用單元中的場效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V;當按鈕復位時，單元中的場效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時可以開始實驗。 三、階躍信號發(fā)生器階躍信號發(fā)生器主要提供實驗時的階躍給定信號，其輸出電壓范圍為-5+5V,正負檔連續(xù)可調(diào)。使用時根據(jù)需要可選擇正輸出或負輸出，具體通過“階躍信號發(fā)生器”單元的拔動開關(guān)來實現(xiàn)。當按下自鎖按鈕時，單元的輸出端輸出一個連續(xù)可調(diào)（選擇正輸出時，調(diào)RP1電位器；選擇負輸出時，調(diào) RP2電位器）的階躍信號（當輸出電壓為1V時，即為單位階躍信 號），實驗開始；當按鈕復位時，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元

17、的輸出電壓可通過實驗臺上的直流數(shù)字電壓表來進行測量。 四、低頻頻率計低頻頻率計是由單片機 89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計而成的，具有輸入阻抗 大和靈敏度高的優(yōu)點。其測頻范圍為：0.1Hz10.0kHz。低頻頻率計主要用來測量函數(shù)信號發(fā)生器或外來周期信號的頻率。使用時先將低頻頻率計的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測量鈕子開關(guān)拔到“外測”（此時通過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號）或“內(nèi)測”（此時測量低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率）。另外本單元還有一個復位按鈕，以對低頻頻率計進行復位操作。注：將“內(nèi)測/外測”開關(guān)置于“外測”時，而輸入接口沒接被測信號時，頻率計有時

18、 會顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的 頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測頻。五、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個量程，分別為200mV、2V、20V。當自鎖開關(guān)不按下時，它作直流電壓表使用， 這時可用于測量直流電壓；當自鎖開關(guān)按下時，作交流毫伏表使用，它 具有頻帶寬（10Hz400kHz）、精度高（土 5%。）和真有效值測量的特點，即使測量窄脈沖 信號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達到10。六、通用單元電路通用單元電路具體見實驗平臺的U1、U2、U4U18單元。這些單元主要由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接

19、線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無源器件單元，U4為電壓轉(zhuǎn)換單元，U5為非線性單元，U6為反相器單元。U7U18為通用運放單元，主要用于比例、積分、微分、慣 性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。七、零階保持器零階保持器為實驗主面板上U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398 ,具有將連續(xù)信號離散后的零階保持器輸出信號的功能，其采樣頻率由外接的方波信號頻率決定。使用時只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。 八、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用研華 PCI1711卡，它可直接插在 舊M-PC/AT或與之兼容的計算機內(nèi)， 其采樣頻率為350k;有16路單端A/

20、D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為 14位；4路D/A模擬量 輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元則放于實驗平臺 內(nèi)，用于實驗平臺與 PC上位機的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出（AI/AO）與開關(guān)量輸入輸出（DI/DO）兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位機軟件安裝及使用說明、上位機控制工程1.運行環(huán)境項目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最好WinXP顯示設(shè)備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文2.上位機程序適用于 MATLAB6.5版本MATLAB 控制產(chǎn)品集支持控制設(shè)計過程的每一個環(huán)節(jié)

21、，可以用于不同的領(lǐng)域，如過程 仿真與控制、汽車、航空航天、計算機和通訊等領(lǐng)域。使用 MATLAB高級編程語言，能使 控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析更加方便，編程者只需花很短的時間就可以開發(fā)出控制算法復雜、繪圖功能強大的程序，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、方程和結(jié)果的顯示。注：實驗程序處于運行狀態(tài)時，不能強制對界面進行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯誤。 二、上位機軟件的使用說明1、仿真部分使用說明1.1 雙擊任何一個模塊，都可以修改其參數(shù)。 仿真過程中，只需按照實驗指導書的內(nèi)容， 修改仿真窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動，如有改動， 關(guān)閉窗口時，不要選擇存 盤。1.2 當達到仿真結(jié)束時間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時

22、，可通過同時修改仿真參數(shù)和示波器參數(shù)實現(xiàn)。 仿真參數(shù)的修改方法：按住Ctrl+E鍵，在彈出的窗口中修改 Stop time 的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開的示波器窗口中點擊Parameters圖標，在彈出的窗口中修改Time range的參數(shù)。修改完成后，示波器的Time range值必須大于或等于仿真參數(shù)的Stop time值。1.3 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇 Axes Properties項，在 彈出的窗口中修改 Y-min和 Y-max的值。1.4 每次參數(shù)更新后，需點擊 Start Simulation圖標進行仿真，這樣才能看到新的結(jié)果 （“典型環(huán)節(jié)和系

23、統(tǒng)頻率特性的測量”仿真除外）。2、實驗部分使用說明2.1 雙擊任何一個模塊，都可以修改其參數(shù)。實驗過程中，只需按照實驗指導書的內(nèi)容， 修改實驗窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動，如有改動， 關(guān)閉窗口時，不要選擇存 盤。2.2 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇 Axes Properties項，在 彈出的窗口中修改 Y-min和 Y-max的值。2.3 實驗過程中，有時會彈出一個提示為“ Incomplete message in communication buffer”的窗口，這是由MATLAB R2007a 以下的版本存在 bug而引起，此時只需關(guān)閉彈出 窗口，再次

24、點擊 Conect to targer圖標即可繼續(xù)實驗。2.4 基于simulink的仿真屬于偽實時仿真，其仿真時間并不與實際時間同步，而與機 器執(zhí)行速度和模型復雜度有關(guān)。在完成實時控制實驗時，界面中所顯示的時間約為實際時間的兩倍。3、實時控制實驗軟件初始化MATLAB 軟件提供了一個實時開發(fā)環(huán)境，可用于實時系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品的快速原型化， 這一點是通過特殊應(yīng)用工具箱 Real-Time Workshop（RTW）實現(xiàn)的。RTW 是MATLAB圖形建模和仿真環(huán)境 Simulink的一個重要的補充功能模塊，它是一個基于Simulink的代碼自動生成環(huán)境，能直接從Simulink模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個性化的代碼，并根據(jù)目標配置