雙容水箱液位串級控制(共35頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上本科畢業(yè)設計論文 題 目 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設計 專業(yè)名稱 自動化 學生姓名 凸凸 指導教師 畢業(yè)時間 2012.6 設計論文 畢業(yè) 任務書一、題目雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設計二、指導思想和目的要求通過畢業(yè)設計使學生對所學自動化專業(yè)知識和理論加深理解，掌握自動控制原理以及過程控制系統(tǒng)和仿真的基本方法。要求畢業(yè)設計中：1、建立系統(tǒng)數學模型2、設計雙容水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)，采用PID控制并進行仿真以及參數整定。3、設計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。先對未加校正的串級控制進行仿真，然后在串級控制加入控制規(guī)律，進行仿真以及參數整定，并與之前未校正的串級控制以及單回路反

2、饋控制系統(tǒng)進行比較。三、主要技術指標1、超調量5%2、穩(wěn)定時間30S3、穩(wěn)態(tài)誤差=0四、進度和要求1、1-3周：收集查閱資料；2、4-6周：完成總體方案設計和建模；3、7-8周：完成系統(tǒng)分析和控制規(guī)律設計；4、9-11周：完成仿真驗證及修改；5、12-13周：完成畢業(yè)設計論文.五、主要參考書及參考資料1 王再英,劉懷霞.過程控制系統(tǒng)與儀表M. 北京：人民郵電出版社,2003.62 胡兵.過程控制M.上海：機械工程出版社,2004.83 胡壽松.自動控制原理M.北京:機械工程出版社,2007.64 盧京潮.自動控制原理M. 北京：人民郵電出版社,2009.85 劉永信，陳志梅.現(xiàn)代控制理論M.北

3、京:北京大學出版社,2006.9學生 凸凸 指導教師 系主任 _專心-專注-專業(yè)摘 要過程控制是自動化技術的重要應用領域，它是指對液位、溫度、流量、等過程變量進行控制，在冶金、機械、化工、電力等方面得到廣泛應用。尤其是液位控制技術在現(xiàn)實生活、生產中發(fā)揮了重要作用，比如，民用水塔供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水進水，如果排水或者進水控制得當與否，關系到車間的生產狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產品的質量與成本等。在這些生產領域里，基本上都是勞動強度大或者操作有一定危險性的工作性質，極容易

4、出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家損失?？梢?，在實際生產中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響到工廠的生產成本、經濟效益甚至設備的安全系數。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。在本設計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。建立了串級液位控制算法。雖然PID控制是控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的一種控制算法。但是要想取得良好的控制效果，必須合理的確定PID的控制參數，使之具有合理的數學模型。 本次畢業(yè)設計的主題主要是基于matlabsimulink的液位控制系統(tǒng)的設計，控制對象為水箱液位，而通過matlab軟

5、件來模擬仿真。液位控制在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要的分量，它對生產的影響不容忽視，為了保證安全生產以及產品的質量和數量，對液位進行及時有效的控制是非常必要的。關鍵詞：液位控制，PID控制，串級控制，matlabsimulink ABSTRACTProcess control is an important application field of automatic technology, it is to point to the level, temperature, flow control process variables, such as in metallurgy, machinery,

6、 chemical, electric power, etc can be widely used. Especially liquid level control technology in real life, played an important role in production, for example, the water supply, civil water tower if low water levels, can affect peoples lives in water ; Industrical enterprise with water, if the drai

7、nage water drainage or controlled properly or not, in relation to the workshop of condition; Boiler drum, if the control level boiler is too low , can make level boiler overheating, possible accident; Jing flow, liquid level control tower control accuracy and level of the craft can influence the qua

8、lity of the products and the cost, etc. In these production field, are basically labor strength or the operation has certain risk nature of work , extremely prone to accidents caused by operating error, the losses, killing manufacturer, Visible, in actual production, liquid level control accuracy an

9、d control effects directly affect the factory production cost and economic benefit of safety coefficient. Even equipment so, in order to ensure safety, convenient operation, you have to research the development of advanced level control methods and strategies. In the design of the tank as a research

10、 object in liquid level control system, amount of liquid level in the tank to be controlled, selected the outlet valve bodies in the implementation of a control system. Establishment of the PID control algorithm of liquid level. Although the PID control is one of the most widely used in control syst

11、ems control algorithms. But to get good control of effects, the determination of PID control parameters must be reasonable, so that it has a reasonable mathematical model.The graduation design topic is the liquid level control system based on matlabsimulink control. Among them was controlled object

12、for tank level, matlab is mainly used in the simulation test. In modern industry level control of important component, it influence upon production not allow to ignore, in order to ensure safety in production and the product quality and quantity , the level and perform effective control is very nece

13、ssary.KEY WORDS：liquid level control ,PID control，cascade control, matlabsimulink 目 錄 第一章 緒論1.1選題背景及意義液位是工業(yè)生產過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產中的潤滑油、冷卻水、調速油、油質加工、液態(tài)燃料供應、廢油凈化、溶液加工與傳輸等場合，常需對容器中液位進行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個機組正常運行。另外，在這些生產領域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢?，在實際生產中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響工廠的生產成本、經濟效益甚至設備的安全系數。所以，為了

14、保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。工業(yè)生產過程中的液位系統(tǒng)通常是時變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產與傳輸質量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構成的多容對象。兩個串連的單容對象構成的雙容對象就比較典型。液位控制設計依賴的自動控制理論，經歷了經典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個發(fā)展階段，現(xiàn)在已進入了非線性智能控制理論發(fā)展時期。從控制理論解決的問題而論，很多重大的、根本的問題，如可控性、可觀測性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比

15、較完善的理論體系。應用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術及各種其它領域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，各個領域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，應用范圍也更加廣泛。特別是本世紀80年代以來，電子計算機的快速更新?lián)Q代和計算技術的高速度發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，并進入了一段新的歷程?？刂评碚摰难杆侔l(fā)展，出現(xiàn)了許多先進的控制算法。變結構控制系統(tǒng)在50年代就有了相當的研究，隨著人們逐漸認識到它的一些優(yōu)點，如對攝動的某種完全適應性，并可用來設計日益復雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。人們生活以及工業(yè)生產經常涉及到液位和流量的控

16、制問題，因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產效果。由于液位檢測應用領域的不同，性能指標和技術要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術及計算機技術的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據控制效果及時修運行參數，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應用。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1過程控制的特點液

17、位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產過程中，對液位的相關參數進行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質量和生產安全，使生產自動進行下去。液位過程參數的變化不但受到過程內部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產過程的參數一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數進行控制的復雜性，或者控制起來相當困難，因此形成了過程控制的下列特點：1)對象存在滯后熱工生產大多是在龐大的生產設備內進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設備內介質的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉向平衡的趨勢。因此，當流入(流出)對象的質量或能量發(fā)生變化

18、時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數不可能立即產生響應，這種現(xiàn)象叫做滯后。2)對象特性的非線性對象特性大多是隨負荷變化而變化，當負荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。大多數生產過程都具有非線性，弄清非線性產生的原因及非線性的實質是極為重要的。3)控制系統(tǒng)較復雜從生產安全方面考慮，生產設備的設計制造都力求生產過程進行平穩(wěn)，參數變化不超出極限范圍，也不會產生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產

19、過程被控制的參數都不是一個，這些參數又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設計相應不同的控制系統(tǒng)。1.2.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前在實際生產中應用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對象的數學模型為基礎的一種控制方式。對于簡單的線性、時不變系統(tǒng)，數學模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復雜的大型系統(tǒng)，其數學模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數學模型不能正確地反映實際系統(tǒng)的特性。對于此類問題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統(tǒng)。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等

20、因素，嚴重影響PID控制的效目前，已經開發(fā)出來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機仿真或實驗裝置的驗證上，真正能有效地應用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿挡欢?。隨著生產水平和科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復雜化，對設備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來越高，為了確保工業(yè)生產過程高效，安全的進行，保證并提高產品的質量,對生產過程進行在線監(jiān)測,及時準確地把握生產運行狀況,已成為目前過程控制領域的一個研究熱點。 近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應用非常普遍，從簡單的浮球液位開關、非接

21、觸式的超聲波液位檢測一直到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。而控制的概念更是應用在許多生活周遭的事物上。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。凡舉蓄水池,污水處理場等都需要液位元的控制.如果能通過一定的系統(tǒng)來自動維持液位的高度那么操作人員便可輕易地在操作時獲知真?zhèn)€設備的儲水狀況,如此不但工作人員工作的危險性,同時更提升了工作的效率及簡便性.液位控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用已經十分廣泛，但從國內生產的液位控制器來講，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫

22、度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術和計算機技術的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術領先，都生產出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。1.2.3液位控制的前景在構建液位控制系統(tǒng)的過程中，我們得知實際操作的變異性存在其中，因此如何分析、調整及改良便是我們日后所要著重的要點。而在完成傳統(tǒng)的PID操作控制系統(tǒng)后，未來我們更

23、將利用Genetic Algorithms 找出最好的參數并建構在液位控制系統(tǒng)。且比較加入智能型控制后的系統(tǒng)與傳統(tǒng) PID是否會有性能上的差異。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達液位儀、光電液位開關等，這些控制器利用無線電波的折射及反射原理。光線在兩種介質的分接口將產生反射或折射現(xiàn)象。當被測液體處于高位時則被測液體與光電開關形成一種分界面，當被測液體處于低位時，則空氣與光電開關形成另一種分界面。這兩種分接口使光電開關內部光接受晶體所吸收的反射光強度不同，即對應兩種不同的開關狀態(tài)，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性

24、。1.3本文研究內容 液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領域都有廣泛的應用。液位控制一般指對某控制對象的液位進行控制調節(jié)，使其達到所要求的控制精度。在工業(yè)生產的過程中，很多場合都要對液位進行控制，使其高精度、快速度地到達并保持給定的數值。如在化工生產過程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性及快速性直接影響到成品的質量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對爐窯的使用壽命及產品的質量起著決定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水制得當與否，關系到車間的生產狀況；鍋爐汽包液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會

25、影響產品的質量與成本等。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達到一定的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達到更好的控制要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。本文主要研究內容：串級控制的原理；基本PID算法；串級控制的優(yōu)點及適用場合；雙容水箱液位控制實驗；Matlab Simlink軟件。 第二章 建立系統(tǒng)數學模型2.1數學建模的基本概念數學模型（Mathematical Model）是一種模擬，是用數學符號、數學式子、程序、圖形等對實際課題本質屬性的抽象而又簡潔的刻劃，它或能解釋某些客觀現(xiàn)象，或能預測未來的發(fā)展規(guī)律，或

26、能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。數學模型一般并非現(xiàn)實問題的直接翻版，它的建立常常既需要人們對現(xiàn)實問題深入細微的觀察和分析，又需要人們靈活巧妙地利用各種數學知識。這種應用知識從實際課題中抽象、提煉出數學模型的過程就稱為數學建模（Mathematical Modeling）。 不論是用數學方法在科技和生產領域解決哪類實際問題，還是與其它學科相結合形成交叉學科，首要的和關鍵的一步是建立研究對象的數學模型，并加以計算求解。數學建模和計算機技術在知識經濟時代的作用可謂是如虎添翼。2.2數學建模的過程應用數學去解決各類實際問題時，建立數學模型是十分關鍵的一步，同時也是十分困難的一

27、步。建立教學模型的過程，是把錯綜復雜的實際問題簡化、抽象為合理的數學結構的過程。要通過調查、收集數據資料，觀察和研究實際對象的固有特征和內在規(guī)律，抓住問題的主要矛盾，建立起反映實際問題的數量關系，然后利用數學的理論和方法去分析和解決問題。這就需要深厚扎實的數學基礎，敏銳的洞察力和想象力，對實際問題的濃厚興趣和廣博的知識面。數學建模是聯(lián)系數學與實際問題的橋梁，是數學在各個領域廣泛應用的媒介，是數學科學技術轉化的主要途徑，數學建模在科學技術發(fā)展中的重要作用越來越受到數學界和工程界的普遍重視，它已成為現(xiàn)代科技工作者必備的重要能力。1）模型準備了解問題的實際背景，明確其實際意義，掌握對象的各種信息。用

28、數學語言來描述問題。 2）模型假設根據實際對象的特征和建模的目的，對問題進行必要的簡化，并用精確的語言提出一些恰當的假設。 3）模型建立在假設的基礎上，利用適當的數學工具來刻劃各變量之間的數學關系，建立相應的數學結構（盡量用簡單的數學工具）。 4）模型求解 利用獲取的數據資料，對模型的所有參數做出計算（或近似計算）。 5）模型分析 對所得的結果進行數學上的分析。 6）模型檢驗將模型分析結果與實際情形進行比較，以此來驗證模型的準確性、合理性和適用性。如果模型與實際較吻合，則要對計算結果給出其實際含義，并進行解釋。如果模型與實際吻合較差,則應該修改假設，再次重復建模過程。 7）模型應用應用方式因問

29、題的性質和建模的目的而異。2.3數學建模的建立方法系統(tǒng)建模基本方法有機理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產過程的機理已經被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數學描述的情況；測試法建模是根據工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數學處理得到。本設計采用機理法進行建模。2.3.1機理法用機理法建模就是根據生產過程中實際發(fā)生的變化機理，寫出各種有關的平衡方程如：物質平衡方程；能量平衡方程；動量平衡方程；相平衡方程以及反映流體流動、傳熱、傳質、化學反應等基本規(guī)律的運動方程；物性參數方程和某些設備的特性方程等，從中獲得所需的數學模型。2.4雙容水箱數學模型的建立2.4.1單容水箱數學模型的

30、建立單容液位過程控制如下：圖2-1此容器的流出閥為手動閥門，流量只與容器1的液位h有關。水槽的平衡方程為 Q- Q=A (1-1)此時出口物料流量Q可以寫成 Q= (1-2)將（1-2）帶入（1-1）可得 AR+ h =RQ (1-3)將（1-3）進行拉式變換后，可得傳遞函數 (1-4)令AR=T，R=K，H=Y，Q=X，可得單容液位對象的數學模型，即傳遞函數為 (1-5) 實際上，水槽底面積越大，對液體的容量也越大，相同流量的改變造成的液位變化也越小。上述流程中由于只有一個水槽，且輸出參數為液位，所以稱為單容液位對象。2.4.2雙容水箱數學模型的建立雙容液位過程如下所示： 圖2-2兩容器的流

31、出閥均為手動閥門，流量Q1只與容器1的液位h1有關，與容器2的液位h2無關。容器2的液位也不會影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有：Q-Q=AQ-Q=A其對應的拉式變化為 Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-1） Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-2）令容器1、容器2相應的閥門液阻分別為和,其中 Q(s)= （2-3） Q(s)= （2-4）將（2-3）和（2-4）帶入（2-1）和（2-2），可得 = （2-5）令T=AR,T=AR,可得 （2-6）可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳

32、遞函數相當于兩個容器分別獨立時的傳遞函數相乘，但過程增益為兩個獨立傳遞函數相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數為： （2-7）由上述分析可知，該過程傳遞函數為二階慣性環(huán)節(jié)，相當于兩個具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個具有自平衡能力的過程。其中時間常數的大小決定了系統(tǒng)反應的快慢，時間常數越小，系統(tǒng)對輸入的反應越快，反之，若時間常數較大（即容器面積較大），則反應較慢。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時間常數，故總體反應要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。2.5確定被控參數及控制變量在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數如下：控制變量：水流量Q；被控參數：下水箱液位；控制

33、器：PID； 執(zhí)行器：控制閥；控制對象特性： （上水箱傳遞函數） （下水箱傳遞函數）第三章 液位控制系統(tǒng)方案設計為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設定值相比較，產生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調整PID參數，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果。該設計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實際生產中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無法得到滿意的效果?？紤]到串級控制可以使某些主

34、要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內環(huán)引入負反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。3.1 單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 不加串級控制對象的PID控制系統(tǒng)框圖如下： 圖3-1 單回路系統(tǒng)框圖 整定主控制器的PID參數，整定好參數后，分別改變P、I、D參數，觀察各參數的變化對系統(tǒng)性能的影響。3.2控制系統(tǒng)的PID參數整定(1)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)10:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。然后按照經驗公式確定PID參數。(2)

35、穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。該方法需要做穩(wěn)定邊界實驗，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經驗公式確定PID參數。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進行參數整定，臨界參數的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。對一階慣性加純遲延的對象，時間常數T較大時，整定費時;對干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。(3)Ziegler-Nichols經驗公式(Z-N公式法)。該方法先

36、求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應曲線，根據對象的純遲延時間、時間常數和放大系數，按Ziegler-Nichols經驗公式計算PID參數。此方法簡單易行，但參數需要進一步調整，一般用于手工計算和設置控制器初值。傳統(tǒng)的PID參數整定主要是一些手動整定方法，階躍響應是其整定PID參數的主要依據。這種方法僅根據系統(tǒng)的動態(tài)響應來整定控制器的參數，具有物理意義明確的優(yōu)點，可以以較少的試驗工作量和簡便的計算，得出控制器參數，因而在生產現(xiàn)場得到了廣泛應用。事實上，因其簡單實用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數整定方法仍在大量應用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。但運用該方法得到的控制器參數比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，

37、參數的優(yōu)化遠遠不夠;同時，對于一些系統(tǒng)，由于控制對象的復雜性、變化性，難以運用傳統(tǒng)方法進行整定。1984年，著名瑞典自動控制學者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數自動整定技術，在繼電反饋下觀測被控過程的極限環(huán)振蕩，對過程施加周期性方波，根據極限環(huán)的特征確定過程的基本性質，經簡單計算即可得出動態(tài)過程數學模型的有用信息:臨界振蕩周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計值，再利用Z-N經驗公式或其它經驗公式即可計算出PID的參數。從根本上說，這仍然是根據過程響應來整定參數，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標。(4)積分項改進的數字PID控制在

38、一般的PID控制中，當存在較大的擾動和大幅度給定值變化時，此時有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會導致超大的超調和長時間的調節(jié)時間。特別是對于溫度、成分等變化緩慢的過程控制，這一現(xiàn)象更為嚴重。實際中常采取積分分離措施，即當偏差較大時，不施加積分控制；當偏差較小時，才施加積分控制。即：a.當時，采用PD控制；b.當時，采用PID控制。其中，為積分分離值，它可根據具體對象及系統(tǒng)設計要求來確定。實際中的值要選的合適，若值過大，則達不到積分分離的目的；若值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進行PD控制，將會出現(xiàn)殘差。積分分離時，取常見的積分項改進的數字PID控制算法還有抗積

39、分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。(5) 數字變PID控制對于波動范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因為普通PID的控制系統(tǒng)其P、I、D三個參數在整定時對當時的被調參量可能是合適的，但是被調參量時刻都在變化并且有時可能波動范圍很大。此時如果再用以前已整定好的PID參數來控制此時的被調參量，控制效果肯定不理想。根據被調參數的波動情況由控制系統(tǒng)自動選擇P、I、D控制參數的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數，各套參數分別適用于不同的波動范圍，由程序根據當時波動范圍自動選擇相應的PID

40、參數。I積分時間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強，I的各個分段值應根據對PID控制系統(tǒng)的被調參量的波動范圍確定。同時分段設定高值與分段設定低值的大小也應根據PID控制系統(tǒng)的要求而定。3.3串級控制系統(tǒng)設計3.3.1串級控制系統(tǒng)的設計思想串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控

41、制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。 下面是串級控制系統(tǒng)的特點：(1)在系統(tǒng)結構上，串級控制系統(tǒng)中主、副調節(jié)器是串聯(lián)工作的。主調節(jié)器的翰出作為副調節(jié)器的給定值，系統(tǒng)通過副調節(jié)器的輸出去操縱執(zhí)行器動作，實現(xiàn)對主變最的定值控制。所以在串級控制系統(tǒng)中，主回路是個定值控制系統(tǒng)，而副回路是個隨動控制系統(tǒng)。(2)在串級控制系統(tǒng)中，主變量是反映產品質量或生產過程運行情況的主要工藝變量?？刂葡到y(tǒng)設計的目的就在于穩(wěn)定這一變量，使它等于工藝規(guī)定的給定值。所以，在串級控制系統(tǒng)中，主變量的選擇原則與簡單控

42、制系統(tǒng)中介紹的被控變童選擇原則是一樣的。關于副變最的選擇原則后面再詳細討論。(3)在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引人，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質童。(4)由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應能力，可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。對于一個控制系統(tǒng)來說，調節(jié)器參數是在一定的負荷，一定的操作條件下，按一定的質量,指標整定得到的。因此，一組調節(jié)器參數只能適應一定的負荷和操作條件。如果對象具有非線性，那么，隨著負荷和操作條件的改變，對象特性就會發(fā)生變化，需要調節(jié)器參數跟著變化。這樣的問題，在單回路控制系統(tǒng)中是難于解決的.在串

43、級控制系統(tǒng)中，主回路是一個定值系統(tǒng)，副回路卻是一個隨動系統(tǒng)。當負荷或操作條件發(fā)生變化時，主調節(jié)器能夠適應這一變化，及時改變副調節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運行在新的工作點上，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質量。由于申級控制系統(tǒng)具有上述特點，所以當對象的滯后和時間常數很大，干擾作用強且頻繁，負荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制質量的要求時，采用串級控制系統(tǒng)是適宜的。3.3.2主、副調節(jié)器調節(jié)規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器起的作用不同。主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。主被控參數是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般

44、要求無靜差。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數，液體流量為控制變量。所以，選擇PID調節(jié)器作為主調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律。副被控參數的設置是為了克服主要干擾對主參數的影響，保證和提高主參數的控制質量，對副參數的要求一般不嚴格，因而可以允許在一定范圍內變化，并允許有靜差。為此，副調節(jié)器調節(jié)規(guī)律選擇P調節(jié)規(guī)律。當加入副回路、副控制器，比較單回路控制、串級控制系統(tǒng)性能的變化，串級控制系統(tǒng)框圖如下： 圖3-2 串級系統(tǒng)框圖3.4 串級控制系統(tǒng)的參數整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定值控制系統(tǒng)，要求主參數有較高的控制精度。但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數能準確、快速地跟隨主調節(jié)器輸出的變化。主、

45、副回路的原理不一樣，對主、副參數的要求也不同，通過正確的參數整定，可取得理想的控制效果。 串級控制系統(tǒng)主、副調節(jié)器的參數整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。但是逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。兩步整定法是按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。此法雖然比逐步逼近法簡化了調試過程，但還是要做兩次10:1衰減曲線法的實測。對兩步整定法進行簡化，在總結實踐經驗的基礎上，提出了一步整定法，就是根據經驗先將副控制器一次放好，不再變動，然后按照一般單回路控制系統(tǒng)的整定

46、方法直接整定主控制器參數。為了簡便起見，本設計采用一步整定法。 所謂一步整定法，就是根據經驗先確定副調節(jié)器的參數，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調節(jié)器的參數。具體的正定步驟為：A按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數整定方法來整定主調節(jié)器的參數。B改變給定值，觀察被控制量的響應曲線。根據主調節(jié)器放大系數K1和副調節(jié)器放大系數K2的匹配原理，適當調整調節(jié)器的參數，使主參數品質最佳。C如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調節(jié)器的比例度或增大積分時間常數Ti，即可得到改善。第四章 控制系統(tǒng)的仿真4.1單回路控制系統(tǒng)的仿真不加串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下：圖4-

47、1 單回路MATLAB仿真框圖先對控制對象進行PID參數整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10：1。A. 將積分時間Ti調為最大值，即MATLAB中I參數為0，微分時間常數TD調為零，比例帶為較大值，即MATLAB中K為較小值。B. 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應，系統(tǒng)衰減比為10：1時，階躍響應如下圖：參數：K1=9.8，Ti=無窮大，TD=0圖4-2 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖經觀測，此時衰減比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C根據衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數： K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/T

48、i=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數得到階躍響應曲線如下：參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6圖4-3 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖觀察以上曲線可以初步看出，經參數整定后，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，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調節(jié)器的作用。A 保持I、D參數為定值，改變P參數，階躍響應曲線如下：參數：K1=7，Ti=16.8，TD=5.6圖4-4 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖參數：K1=2，Ti=16.8，TD=5.6圖4-5 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖比較不同P參數值下系統(tǒng)階躍

49、響應曲線可知，隨著K的減小，最大動態(tài)偏差減小，余差增大，衰減率增大，振蕩頻率減小。B 保持P、D參數為定值，改變I參數，階躍響應曲線如下：參數：K1=12，Ti=10，TD=5.6圖4-6 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖參數：K1=12，Ti=1，TD=5.6圖4-7 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖比較不同I參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C 保持P、I參數為定值，改變D參數，階躍響應曲線如下：參數：K1=12，Ti=16.8，TD=2.6圖4-8 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖參數：K1=12，Ti=16

50、.8，TD=0.6圖4-9 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖比較不同D參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，而且隨著D參數的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率減小。經過多組驗證，最后得出，當參數：K1=12，Ti=40，TD=2.6時，系統(tǒng)比較完善，其仿真如下圖圖4-10 單回路MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖得出：調節(jié)時間t=9s，超調量%=4%, 靜態(tài)誤差e=7.6可見，穩(wěn)態(tài)誤差沒有達到要求。4.2串級控制系統(tǒng)的仿真4.2.1無調節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)對系統(tǒng)只加了串級，不加調節(jié)模塊的系統(tǒng)框圖如下 圖4-11 無調節(jié)模塊的串級系統(tǒng)框圖對其進行仿真，如下： 圖4-12 串級無矯正MA

51、TLAB仿真階躍響應曲線波形圖4.2.2加入調節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)對上面系統(tǒng)加入調節(jié)模塊后的系統(tǒng)框圖圖4-13 串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖系統(tǒng)的階躍響應如下圖所示：參數：K1=12，Ti=16.8，TD=0.6，K2=12 圖4-14 串級MATLAB仿真階躍響應曲線波形圖得出：調節(jié)時間t=7s，超調量%=3%, 靜態(tài)誤差e=0可見，各項技術指標均達到要求。4.3單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的比較 經過上面單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的最終數據的比較，我們可以看出7 U& H; c+ |9 k7 L1 J( Y1 W串級控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質的一種極為有效的控制方案。由于

52、在系統(tǒng)的結構上多了一個副回路，所以具有以下一些特點：7 # l# O* ' A4 z ?, A 改善了過程的動態(tài)特性5 q* i, Z$ m$ p0 X' u 串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)在結構上多了一個副回路，減小了該回路中環(huán)節(jié)的時間常數，增加了它的帶寬，從而使系統(tǒng)的響應加快，控制更為及時。B BB B 具有較強的抗擾動能力 1 s. Y0 o3 ! Z+ C2 r4 q2 D在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器放大系數的乘積愈大，則系統(tǒng)的抗擾動能力愈強，控制質量愈好。串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動進入副回路，不等它影響到主參數的變化，通過副回路的及時調節(jié)，該擾動對主參數的影

53、響就會大大地削弱或完全消除，從而提高了主參數的控制質量。9 7 M$ 0 e0 n, C 具有一定的自適應能力, Q. R, O* t. p2 r4 ( B 串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路則是一個隨動系統(tǒng)。主調節(jié)器的輸出能按照負荷和操作條件的變化而變化，從而不斷改變副調節(jié)器的給定值，使副回路調節(jié)器的給定值適應負荷并隨操作條件而變化，即具有一定的自適應能力。第五章 全文總結本文介紹了雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計。通過和其他控制算法比較，最終采用串級控制對雙容水箱實現(xiàn)液位控制，通過學習和了解PID算法及串級控制的工作原理，理論聯(lián)系實際，實現(xiàn)了以雙容水箱為對象，建立數學模型，在matlab軟件環(huán)境下，對控制水箱液位的控制算法進行仿真研究。經過這段時間的認真學習，得出以下結論：1）通過本次設計，學會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識。2）基本掌握了簡單系統(tǒng)模型的PID參數整定方法，對PID調節(jié)器中的P、I、D各個參數的功能、特性有了更加深刻的認識。3)通過仿真驗證了串級控制對干擾的強烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學習會有所幫助。4