雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)課程設(shè)計1 .設(shè)計題目雙容水箱液位用級控制系統(tǒng)設(shè)計2 .設(shè)計任務(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，支路二則通過變頻器對下水箱 液位施加干擾。試設(shè)計審級控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3 .設(shè)計要求1）已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為:Gg(s)皿J Gp2U1(s) 5s 1 pH2(s)E(s)1Q2(s)H1(s)20s 1要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運10s后施加的均值為0

2、、方差為0.01的白噪聲）；2）針對雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真，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），對仿真結(jié)果進行評述；3）針對該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計審級控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施 方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進行仿真，并對仿真結(jié)果進行評述。4設(shè)計任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分掌握， 并且可以比較確切的加以數(shù)學描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)

3、學處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(shè)計而言，由于雙容水箱的數(shù)學模型已知，故采用機理建模法。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；Gpi （s）Hi（s）UTs）控制對象特性：2，一 一（上水箱傳遞函數(shù)）；5s 1Gp2（s）H2（s）Q2（s）H2（s）Hi（s）120s 1（下水箱傳遞函數(shù)）控制器：PID ;執(zhí)行器：控制閥;干擾信號：在系統(tǒng)單位階躍給定下運行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)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)， 將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID）,控制器將實際

4、水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果，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(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會有很大的延遲，進而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果?？紤]到串級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

5、控制效果。設(shè)計中，首先進行 單回路閉環(huán)系統(tǒng) 的建模，系統(tǒng)框圖如下:F，丁注系統(tǒng)實施方案圖如下:可發(fā)現(xiàn)，在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。的變化，前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如下:給降值±PID給定值雨】II-鼓拄變顯D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩然后，加入前饋控制，在有干擾的情況下，比較單回路控制、前饋-反饋控制系統(tǒng)性能水位檢上P1CH9川筠5設(shè)計內(nèi)容 1）單回路PID控制的設(shè)計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：01先對控制對象進行 PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比

6、為10: 1。A.將積分時間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0,微分時間常數(shù) TD調(diào)為零，比例 帶8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，階躍響應(yīng)如下圖:參數(shù)：K1=9.8,個=無窮大，TD=0經(jīng)觀測，此時衰減比近似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 I=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.

7、8, TD=5.6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。保持k D參數(shù)為定值，改變 P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下: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 , Ti=1 , TD=5.6比較不同I參

8、數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)節(jié)則無余差，而且隨著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(shù)為定值，改變 D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：1.5參數(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，以檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：階躍響應(yīng)曲線如下:參數(shù)：K1=12, Ti=16.8, TD=5.6觀察以上曲線，并與無干擾時的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時

9、，很難穩(wěn)定下來，出現(xiàn)了長時間的小幅震蕩，由此可見，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，考慮串級控制。2）審級控制系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：當無噪聲時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示:參數(shù)：K1=12, Ti=16.8, TD=5.6 , K2=0.3串級控制降低了最大偏差,減小了振蕩頻率，大P條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線:比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知, 大縮短了調(diào)節(jié)時間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同參數(shù)：K1=12 , Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=0.5參數(shù)：K1=12 , Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=1.01.41

10、.210.9060.40.200102030405060參數(shù)：K1=12 , Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=1.5觀察以上曲線可知，當副回路控制器，調(diào)節(jié)時間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增強了， 在干擾作用下，當增益相同時，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)計總結(jié)1）通過本次設(shè)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(shù)整定方法，對PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認識，通過實驗驗證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。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