基于力控和Matlab的雙容、多容水箱控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計_

1、課程設(shè)計報告基于力控和Matlab雙容、多容水箱控制系統(tǒng)仿真目錄1. 設(shè)計題目 (32. 設(shè)計任務(wù) (33. 設(shè)計要求 (34.設(shè)計任務(wù)分析 (35.設(shè)計內(nèi)容 (45.1雙容、多容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 (45.2雙容、多容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的仿真 (75.3雙容、多容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的參數(shù)整定 (115.4雙容、多容水箱前饋反饋控制系統(tǒng)的仿真分析 (145.5運用力控組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行設(shè)計分析 (176實習(xí)心得 (22參考文獻 (231. 設(shè)計題目雙容水箱液位前饋反饋控制系統(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

2、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)計前饋反饋控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。 1圖1 雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3. 設(shè)計要求1上下水箱高都約為16m,具體幾何尺寸不詳,需仿真實驗建模;2進水量最大為16平方米/小時,調(diào)節(jié)閥前后壓差最大為3.2Mpa;3進水量的擾動為主要擾動。4.設(shè)計任務(wù)分析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、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

3、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)計前饋反饋控制方案,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。5.設(shè)計內(nèi)容1、根據(jù)流程控制自動化技術(shù)工程實訓(xùn)的實驗獲得的對象廣義傳遞函數(shù),建立Simulink仿真模型。2、建立雙容液位閉環(huán)控制系統(tǒng)及流量前饋液位反饋控制系統(tǒng)仿真模型。3、采用傳統(tǒng)的理論分析法,結(jié)合仿真實驗整定PID控制器的參數(shù),繪制仿真結(jié)果曲線。4、采用Simulink控制系統(tǒng)設(shè)計工具箱SISO Design Tool設(shè)計和優(yōu)化PID控制器的參數(shù),繪制仿真

4、結(jié)果曲線。5、結(jié)合工程實訓(xùn),比較實際系統(tǒng)行為與仿真結(jié)果的偏差,分析仿真結(jié)果。6、運用力控5.1雙容、多容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 Q3根據(jù)物料平衡關(guān)系,列出增量方程 其中,、為流過閥1、閥2、閥3的流量;、為上水箱、下水箱的液位高度;、為上、下水箱的液容系數(shù);、為閥2、閥3的液阻。對式(5.1(5.2(5.3(5.4聯(lián)立,進行拉氏變換,整理后得到 式中為上水箱過程時間常數(shù),;為下水箱過程時間常數(shù),。另外,若上、下水箱之間的管道過長存在時延,則此時傳遞函數(shù)多一個滯后環(huán)節(jié),為 由此推及,若n個水箱級聯(lián),其傳遞函數(shù)應(yīng)為式中為總放大系數(shù)。上式為無時延過程,下式為有時延過程。通過機理建模可以得知多容水箱的傳遞

5、函數(shù)為 我們可以通過對單個水箱進行特性測試的方法,得到各個水箱的過程時間常數(shù)及時延,再由 求得、即可。 對于本實驗的雙容水箱系統(tǒng),還可以用兩點法確定相關(guān)參數(shù)。由于本實驗系統(tǒng)的各水箱連接管道很短,并且管徑很大,故時延很小,用兩點法更為方便、準確。 的確定方法同(5.8。、采用兩點法。 系統(tǒng)階躍相應(yīng)為 利用階躍相應(yīng)上兩個點的數(shù)據(jù)和確定、。不妨 取及兩點,從下圖得出相應(yīng)的、。 聯(lián)立方程 得到近似解 通過實驗,求得該雙容系統(tǒng)為二階系統(tǒng),。由此,求得該系統(tǒng)雙容水箱系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖為 至此,系統(tǒng)的模型就建立完成了。5.2雙容、多容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的仿真計算機仿真是對控制系統(tǒng)進行科學(xué)研究的重要手段。通過計

6、算機仿真來對比各種控制策略和方案,優(yōu)化并確定相關(guān)參數(shù),以獲得最佳控制效果,是多年來控制系統(tǒng)設(shè)計尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技術(shù)。MATLAB是Math Works公司于1984年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件,它集數(shù)值計算,矩陣運算,信號處理和圖形顯示于一體,構(gòu)成了一個方便的,界面友好的用戶環(huán)境。由各個領(lǐng)域的專家相繼推出了MATLAB工具箱,其中主要有信號處理(signal processing、控制系統(tǒng)(control system、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neural network、模糊邏輯(fuzzy logic、圖像處理( image processing、小波(wavelet等工

7、具箱13。本文主要是利用了SIMULINK工具箱和M文件。SIMULINK是MA TLAB環(huán)境下的模擬工具,提供了很方便的圖形化功能模塊,以便連接一個模擬系統(tǒng),簡化設(shè)計流程,減輕設(shè)計負擔。此外,SIMULINK 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包,它支持線性和非線性系統(tǒng),連續(xù)和離散時間模型,或者是兩者的混合。SIMULINK為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口,包含有(Sink輸出方式、(Source輸入源、(Linear線性環(huán)節(jié)、(Nonlinear非線性環(huán)節(jié)、(Connectors連接與接口、(Extra其他環(huán)節(jié)子模型庫,而且每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊,還也可以定制

8、和創(chuàng)建自己的模塊13。上面討論了系統(tǒng)的建模方法并實際測得了水箱液位控制的傳遞函數(shù)。在設(shè)計控制器之前,先要對系統(tǒng)進行MATLAB仿真,得到較平滑精確的曲線,對其進行穩(wěn)定性分析,進而明確設(shè)計的方向。在此基礎(chǔ)上,還要分析系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能,從而明確所設(shè)計控制器期望達到的控制質(zhì)量。以典型的多階系統(tǒng)二階系統(tǒng)為例進行分析。上面,已經(jīng)求得雙容水箱液位控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 從(5.13表達式來看,雙容水箱系統(tǒng)為具有純時延環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)。但注意到純時延環(huán)節(jié)的時間系數(shù),相對于、來說極小。因此可以將純時延 環(huán)節(jié)用一個慣性環(huán)節(jié)來等價,即用式 來替代,代入式(5.13,可得到等價的開環(huán)傳遞函數(shù): 進而得到該系統(tǒng)的

9、閉環(huán)傳遞函數(shù) 將(5.15進行改寫,寫成零極點形式 從式(5.16中,可以得到三個閉環(huán)極點-1.006、和 。由于-1.006較兩個極點而言距離虛軸較遠, 大于兩個共軛極點距虛軸距離的6倍。因此該系統(tǒng)的衰減余弦項為兩個主導(dǎo)極產(chǎn)生,所以可以進而將系統(tǒng)退變成由兩個主導(dǎo)極點為閉環(huán)極點 的二階系統(tǒng)。根據(jù)近似的二階閉環(huán)傳遞函數(shù),取、,得到系統(tǒng) 的近似開環(huán)傳遞函數(shù) 圖5.2 雙容水箱液位開環(huán)響應(yīng) 圖5.3近似傳遞函數(shù)與原傳遞函數(shù)誤差首先,從誤差曲線看出,該近似二階系統(tǒng)完全可以準確近似地表示原傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)。從開環(huán)階躍曲線圖可以看出,該二階系統(tǒng)是自衡系統(tǒng),并且是無時延系統(tǒng),并且這與實際測得的曲線趨勢基本

10、吻合。但系統(tǒng)的響應(yīng)過程很慢,通常要很長時間才能達到平衡。下面再看系統(tǒng)的閉環(huán)曲線。該二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 其單位階躍響應(yīng)曲線如圖5.4所示 圖5.4雙容水箱液位閉環(huán)響應(yīng)從圖上標示可以看到該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性及動態(tài)特性的相關(guān)參數(shù):超調(diào)量,調(diào)節(jié)時間,穩(wěn)態(tài)值為0.844。從測得的參數(shù)不難看出系統(tǒng)的 超調(diào)量雖然偏大,動態(tài)特性勉強符合要求,但由于系統(tǒng)存在的靜差,并且誤差較大,那么在實際工業(yè)生產(chǎn)中就很難符合工藝要求。另外,水位上升到終值并且達到誤差小于5%的調(diào)節(jié)時間較長,即達到穩(wěn)定需要的時間較長,這在我們的設(shè)計中也是要盡量改進的。通過對原系統(tǒng)進行分析,確定滑模便結(jié)構(gòu)控制器的基本方向如下:(1設(shè)計后的系統(tǒng)地超調(diào)

11、量盡可能減小;(2系統(tǒng)無靜差,嚴格跟蹤輸入量;(3調(diào)節(jié)時間盡可能縮短;(4在滿足上述條件前提下盡可能削弱抖震。5.3雙容、多容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的參數(shù)整定PID控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中,PID控制是歷史最悠久、控制性能較強的基本調(diào)節(jié)方式。PID控制原理簡單,易于整定,使用方便。因此按照PID控制性能工作的各類調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)部門。另外,PID的控制性能指標對于受控對象特性的稍許變化不很敏感,能一定程度上保證調(diào)節(jié)的有效性,故PID控制仍然是最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。在PID控制算法中,控制作用由比例、積分、微分3種基本控制環(huán)節(jié)組成。這3種控制作用的特點如

12、下:1. 比例控制作用:系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生,控制器立即就有控制作用,使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化,控制作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp。缺點是對于具有自衡能力的被控對象存在靜差。加大Kp可減小靜差,但Kp過大,會導(dǎo)致系統(tǒng)的超調(diào)增大,使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。2. 積分控制作用對誤差進行記憶并積分,有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性,積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞,以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3. 微分控制作用的特點通過對誤差進行微分,能感覺出誤差的變化趨勢,增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng),使超調(diào)減小。缺點是對干擾同樣敏感,使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。根據(jù)被控對象的

13、不同,適當?shù)卣{(diào)整PID參數(shù),可以獲得比較滿意的控制效果。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法很多,但總體說來可以歸結(jié)成為兩大類:一是通過理論計算進行整定;二是工程整定方法。理論計算整定方法是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,采用控制理論的根軌跡法、頻率特性法等,經(jīng)過理論計算確定調(diào)解器的參數(shù)值,但這種方法過分依賴數(shù)學(xué)模型,計算繁瑣,且得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接應(yīng)用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。故理論計算整定方法只是提供理論指導(dǎo),工程中很少應(yīng)用。工程整定方法依靠工程經(jīng)驗,直接在實驗過程中進行整定,且方法簡單、實用。工程整定方法主要有臨界比例度法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。這里采用衰減曲線法進行整定。PID調(diào)解器的動作規(guī)律為

14、或?qū)懗?式中,為比例帶,為積分時間常數(shù),為微分時間常數(shù)。首先,先置積分時間,微分時間,比例帶置較大數(shù)值,即將 控制器設(shè)置為純比例環(huán)節(jié)投入運行。然后,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,加入階躍輸入信號,觀察系統(tǒng)響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)振蕩衰減太快,就減小比例帶;反之增大比例帶。如此反復(fù)直到出現(xiàn)衰減比為4:1 的振蕩過程,記下此時的(設(shè)為以及衰減振蕩周期(第一個波峰與第二個波峰之間的時間差的值。最后按,整定。按上述的方法投入運行,當(即時,得到衰減比4:1的階躍響應(yīng)曲線如圖5.5所示。 圖5.5 衰減比4:1的階躍輸出 從圖上讀出衰減振蕩周期,進而得到整定參數(shù)為(即,。將此參數(shù)帶入PID控制函數(shù),得到控制器傳遞函數(shù)為 搭建如

15、圖5.6的SIMULINK方針圖進行仿真。 圖5.6 PID控制系統(tǒng)在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)Ti Td值,而后進行仿真得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖如下: Ti=60;Td=11.342時,仿真得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖。 圖5.6 Ti=60;Td=11.342時,仿真得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖Ti=60;Td=14.342時,仿真得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖。 圖5.7 Ti=60;Td=14.342時,仿真得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖在對上面三種系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖進行分析后,可以確定當Ti=60;Td=11.342時,所獲得的控制效果相對其他情況較好。故選擇后確定Ti=60;Td=11.342。5.4雙容、多容水箱前饋反饋控制系統(tǒng)的仿真

16、分析基于上面章節(jié)的分析,運用Matlab的仿真功能對雙容、多容水箱前饋反饋控制系統(tǒng)進行整體的仿真分析。 圖5.8前饋反饋控制系統(tǒng)的整體仿真框圖按照上面章節(jié)已經(jīng)構(gòu)建好的數(shù)學(xué)模型和已經(jīng)整定好的各種參數(shù),并與之對應(yīng)的設(shè)置于各個模塊單元上,檢查連接好后運行系統(tǒng),進行仿真。并且不斷調(diào)節(jié)改變前饋通道中的積分時間參數(shù)T2和微分時間參數(shù)T1。直至得到的仿真曲線效果達到設(shè)計所需的要求。不同的積分時間參數(shù)T2和微分時間參數(shù)T1,所得到的仿真曲線如下各圖所示。前饋通道時間參數(shù)T1=1;T2=1時,如圖5.9。 如圖5.9 T1=1;T2=1時的仿真曲線前饋通道時間參數(shù)T1=12;T2=1時,如圖5.10。 如圖5.

17、10 T1=12;T2=1時的仿真曲線前饋通道時間參數(shù)T1=20;T2=10時,如圖5.11。 如圖5.11 T1=20;T2=10時的仿真曲線前饋通道時間參數(shù)T1=50;T2=25時,如圖5.12。 如圖5.12 T1=50;T2=25時的仿真曲線前饋通道時間參數(shù)T1=50;T2=20時,如圖5.13。 如圖5.13 T1=50;T2=20時的仿真曲線在對上面五種系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖仿真曲線進行分析后,可以確定當T1=50; Td=20時,所獲得的控制效果相對其他情況較好。故選擇后確定T1=50;T2=20。5.5運用力控組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行設(shè)計分析經(jīng)過初步設(shè)計,制作設(shè)計表單如下: 表5-5-2力

18、控點表 在本實驗中,我們需要定義一個I/O設(shè)備,其定義過程如下:選擇“變量”“I/O設(shè)備組態(tài)”“力控”“仿真驅(qū)動”“SIMULA TOR仿真器”,出現(xiàn)如下窗口: 圖5.14(aI/O設(shè)備定義 圖5.14(bI/O設(shè)備定義在該系統(tǒng)中,我們需要創(chuàng)建一個擁有14個數(shù)據(jù)庫點的實時數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫點的創(chuàng)建的步驟如下;具體以sv為例。選取“工程項目”中“變量”下的“數(shù)據(jù)庫組態(tài)”雙擊單元格后進入如下界面。 圖5.15 sv的數(shù)據(jù)組態(tài)1相應(yīng)參數(shù)設(shè)置后點擊“數(shù)據(jù)連接”項,選擇“增加”按鈕,并做如下設(shè)置。 圖5.15 sv的數(shù)據(jù)組態(tài)2而后完成對sv的數(shù)據(jù)組態(tài)。按照相同的方法對余下的13個點進行數(shù)據(jù)組態(tài)。1啟動力控的

19、“工程管理器”;2按“新增應(yīng)用”按鈕,添加應(yīng)用名,點擊“確定”按鈕,然后再點擊“開發(fā)系統(tǒng)”按鈕,進入力控的組態(tài)界面;1選擇“文件”“新建”創(chuàng)建一個“雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面”窗口。2打開DRAW的“工具箱”,選擇相應(yīng)的PID手操器,雙擊PID手操器畫面,對其相應(yīng)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如下。 圖5.16 PID手操器的基本屬性設(shè)置 圖5.17PID手操器的變量設(shè)置 圖5.18 PID手操器的參數(shù)整定得到雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面如下圖所示。 圖5.19 雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面xxx xxx xxxxxxxx 6 實習(xí)心得 通過這次第二次的課程設(shè)計實習(xí)，在這次實習(xí)中我們運用 matlab 軟件的 si

20、mulink 仿真模型的建立和一些 PID 參數(shù)的整定并采用 Simulink 控制系統(tǒng)設(shè)計工 具箱 SISO Design Tool 設(shè)計和優(yōu)化 PID 控制器的參數(shù)，繪制仿真結(jié)果曲線。實習(xí) 中我們進一步的盡量將一些抽象的問題具體化最后并在具體模型中體現(xiàn)出來。 在這個過程中小組的隊員一起協(xié)作，對實習(xí)題目：雙容液位閉環(huán)控制系統(tǒng)及 流量前饋液位反饋控制系統(tǒng)，進行集體討論，并對一系列的問題進行分工制，在 實習(xí)過程中不僅對一些工業(yè)設(shè)計軟件進行了學(xué)習(xí)還是對我們團隊協(xié)作能力的一 種考驗。 最后在這次實習(xí)中， 我們學(xué)習(xí)到了一些如何將一些實際的工程問題用一些設(shè) 計軟件來進行模擬，并且對他進行很詳細的分析。更重