雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、裝訂線長(zhǎng) 春 大 學(xué) 課程設(shè)計(jì)紙長(zhǎng) 春 大 學(xué)過(guò) 程 控 制 實(shí) 習(xí) 報(bào) 告 題目名稱 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院系 電子信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化13403 學(xué)生姓名 張華挺 指導(dǎo)教師 程廣亮 起止日期 2021.06.012021.06.07 雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要該實(shí)驗(yàn)裝置采用A3000過(guò)程控制裝置,采用串級(jí)控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)雙容水箱中下水箱液位的控制,并且通過(guò)Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,通過(guò)組態(tài)王將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)在設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試。在此次設(shè)計(jì)中，利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模

2、型的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,串級(jí)控制的內(nèi)回路能夠有 效地克服二次擾動(dòng)的影響,可以加大主控制器的增益,從而對(duì)控制難度大的二階對(duì)象進(jìn)行有效控制。 關(guān)鍵詞控制系統(tǒng) 仿真 串級(jí)控制Design of cascade control system for liquid level of double tankAbstract The experimental device the A3000 process control device, the use of cascade control method to achieve the dual capacity water tank of the lo

3、wer tank level control, and through the MATLAB system simulation, by Kingview to design good system debugging on the device. In this design, the use of automatic instrument technology, computer technology and automatic control technology to achieve the level of water tank cascade control. The model

4、of the controlled object is analyzed, and the transfer function of the model is obtained by the experimental modeling method. The experimental results show that the cascade control of the inner loop can effectively overcome the influence of the two disturbance, and can increase the gain of the main

5、controller, so as to effectively control the two stage of the control difficulty.Keywordscontrol simulation cascade control目錄第1章 緒論11.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1第2章 液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.1串級(jí)控制系統(tǒng)的組成22.1串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22.1.1主回路的設(shè)計(jì)22.1.2副回路的設(shè)計(jì)32.1.3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇32.2PID控制原理3第3章 控制系統(tǒng)的仿真43.1單回路控制系統(tǒng)的仿真4第4章系統(tǒng)過(guò)程流圖8第5章結(jié)論9第6章致謝10 第1章 緒論液位是工業(yè)生產(chǎn)

6、過(guò)程中很重要的被控變量。在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的精確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)本錢、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的平安系數(shù)。所以，為了保證平安、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)兩個(gè)控制器都有各自的測(cè)量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號(hào)送給被控對(duì)象，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。控制器的輸出用來(lái)改變另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這樣連接起來(lái)的兩個(gè)控制器件稱為串級(jí)控制器。這次仿真系統(tǒng)的雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)如下列圖所示：圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第2章 液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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)，

7、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，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無(wú)法得到滿意的效果。所以應(yīng)該及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反應(yīng)，檢測(cè)上水箱液位，將液位信號(hào)送至副控制器，繞后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的組成1.主、副回路：從串級(jí)控制系統(tǒng)的框圖可以看到，系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路。內(nèi)部的閉合后路稱為副環(huán)；外部的閉合回路稱為主回路主環(huán)。2.主、副控制器：處于主回路中的控制器稱為主控制器；處于副回路中的控制器稱為副控制器。3.主、副被控變量：主回路的被控制變量稱為主被控變量主變量；副回路的被控變量稱為副被控變量副變量。主被控變量也可以理解為起主導(dǎo)作用

8、的被控變量；而副被控變量是為穩(wěn)定主被控變量而引入的中間輔助變量。4.主、副對(duì)象：主回路所包括的對(duì)象稱為主對(duì)象；副回路所包括的對(duì)象稱為副對(duì)象。5.主、副檢測(cè)變送器：檢測(cè)和變送主變量的稱為主檢測(cè)變送器；檢測(cè)和變送副變量的稱為副檢測(cè)變送器。主控制器的輸入是由工藝給定的，通常是一個(gè)定值，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；而副控制器的設(shè)定值是由主控制器的輸出提供，它隨主控制器輸出的變化而變化，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設(shè)計(jì)和主、副控制器的正、反作用方式確實(shí)定等。2.1.1主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)

9、的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原那么進(jìn)行設(shè)計(jì)。主變量操縱量的選擇原那么與單回路控制系統(tǒng)的選擇原那么一致，即選擇直接或間接地反映生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保以及平安等控制目的的參數(shù)作主為主變量。2.1.2副回路的設(shè)計(jì)副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。首先是要從被控制對(duì)象的多個(gè)變量中選擇一個(gè)變量作為副變量。2.1.3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用。 主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無(wú)靜差。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數(shù)，液位流量為控制變量。所以，選擇PID調(diào)節(jié)

10、器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對(duì)主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。2.2PID控制原理在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖2.1PID控制根本原理第3章 控制系統(tǒng)的仿真3.1單回路控制系統(tǒng)的仿真 通過(guò)MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖

11、代替了程序的編寫，下面根據(jù)前文的水箱模擬傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。1. 階躍響應(yīng)性能 圖3.1為SIMULINK仿真圖在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)參加大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60TI=50TD=3;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。圖3.2為MATLAB參加副回路仿真曲線圖3.3MATLAB不參加副回路仿真曲線3.4SIMULINK仿真框圖維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中參加擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線.在400s經(jīng)過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路參加階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。圖

12、3.6MATLAB不參加副回路仿真曲線綜上可知，選擇串級(jí)PID控制的設(shè)計(jì)方案完成對(duì)水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的.而且在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面與非串級(jí)控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必須綜合考慮各方面的因素，不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。第4章系統(tǒng)過(guò)程流圖第5章結(jié)論控制器工作方式為正作用。輸入增大時(shí)，輸出趨向越大。通過(guò)測(cè)量位置信號(hào)的采樣反應(yīng)，與給定值相比擬，調(diào)節(jié)偏差。根據(jù)PID控制的特性再調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)到達(dá)較滿意的狀態(tài)。加階躍信號(hào)后觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時(shí)間Td=90

13、s,峰值時(shí)間Tp=170s,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=700s,超調(diào)量為19%(最大峰值85.7mm)，,衰減比3：1。通過(guò)增加比例系數(shù)克服擾動(dòng)，但比例系數(shù)的加大會(huì)使上升速度加快，曲線變陡，造成調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度的加大，引起被調(diào)量的來(lái)回波動(dòng)。參加適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?，可以使系統(tǒng)超調(diào)減小，但參加過(guò)大微分作用，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，陷入振蕩中。在計(jì)算機(jī)中改變PID參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥不能很快動(dòng)作，特別是在上升到接近階躍輸入設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥輸出值減少過(guò)慢，使液位超過(guò)設(shè)定值后仍在上升會(huì)造成超調(diào)增大。第6章致謝在這次課程設(shè)計(jì)中，不但培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力，也讓我們發(fā)現(xiàn)了自身的許多缺乏，得以及時(shí)加以改正，不斷提高自己。同時(shí)也促進(jìn)了我

14、與其他同學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，共同探討，共同前進(jìn)的精神，使小組成員的友誼和默契，并且共同學(xué)到了十分有用又實(shí)際的知識(shí)，加深了我們對(duì)于專業(yè)課程的應(yīng)用和理解，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)也提高了我分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使我對(duì)電器元件與專業(yè)知識(shí)有了更加深刻的理解，打好了日后學(xué)習(xí)電工技術(shù)課的根底，還有，這個(gè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了我與其他同學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，共同探討，共同前進(jìn)的精神，它不但培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力，也讓我們發(fā)現(xiàn)了自身的許多缺乏，得以及時(shí)加以改正，不斷提高自己。在設(shè)計(jì)中使用了相關(guān)系統(tǒng)軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模。特別是利用SIMULINK工具箱可以便捷地對(duì)不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)PID控制的仿真，可以清楚的比擬不同控制方案的優(yōu)劣，對(duì)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬，使對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案更加明確。在組建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用了MCGS組態(tài)軟件對(duì)我來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一門新的學(xué)問(wèn)，既是一種挑戰(zhàn)，也使我學(xué)到了很多有使用價(jià)值的知識(shí)。最后，十分感謝指導(dǎo)老師的細(xì)心講解，感謝小組成員的包容，感謝學(xué)校給我們這次時(shí)機(jī)完善自己的專業(yè)技能，使我們受益良多。在日后的學(xué)習(xí)生活中，我定將更加努