典型控制系統(tǒng)仿真

1、典型控制系統(tǒng)的仿真液位控制系統(tǒng)班級(jí)：0309102姓名：030910231 楊博文030910221 董朋030910224 王瑋目錄 TOC o 1-5 h z 弓1言-3 - HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 方案選擇-3 -1單回路控制方案說(shuō)明：-3 -2對(duì)該系統(tǒng)的初步分析-3 - HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 系統(tǒng)的建模-4 -1、原系統(tǒng)變化液位與開關(guān)閥門閉合程度關(guān)系表達(dá)式-4 -2 開環(huán)系統(tǒng) matlab 仿真-6 -2.1原系統(tǒng)：-6 -2.2原系統(tǒng)輸出波形-7 -2.3 分析-

2、7 -液位控制系統(tǒng)的工作原理-8 -1.建立加入反饋的液位控制系統(tǒng)模型：-8 - HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 單位反饋的系統(tǒng)分析-9 - HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 自控?cái)?shù)學(xué)模型的建立及其傳遞函數(shù)-10 -HHS HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 傳遞函數(shù) 的匯總-11 - 液箱控制系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)仿真（為簡(jiǎn)化畫圖，只畫了一級(jí)液箱，實(shí)際為二級(jí)液箱）12實(shí)際系統(tǒng)的仿真：（已將液量與液位的關(guān)系用物理關(guān)系轉(zhuǎn)化）-12 -1系統(tǒng)加入閉環(huán)反饋后的si

3、mulink仿真-12 -2加入閉環(huán)后系統(tǒng)波形圖-13 -3結(jié)果-13 - HYPERLINK l bookmark116 o Current Document 十、實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法-13 -閥門用氣動(dòng)式開關(guān)-13 - HYPERLINK l bookmark119 o Current Document 相應(yīng)執(zhí)行環(huán)節(jié)-14 - HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 十一.實(shí)踐結(jié)論-14 - HYPERLINK l bookmark131 o Current Document 十二. 小組分工-15 - HYPERLINK l bookmark134

4、 o Current Document 十三.實(shí)踐總結(jié)-15 -引言在自控創(chuàng)新實(shí)踐中，我們選擇了某生產(chǎn)過(guò)程中液容進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)該液箱的開環(huán) 控制傳遞函數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性，以及根據(jù)現(xiàn)有的知識(shí)液平來(lái)探究如何通過(guò) 閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步調(diào)高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)查閱相關(guān)資料以及答疑，我們知道：計(jì)算機(jī)控制方法能夠更加精確的控制液位， 它是現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)行控制的主流技術(shù)，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，既節(jié)省人力 資源又可以大大提高生產(chǎn)率。在答疑中，老師推薦我們閉環(huán)反饋用壓電傳感器。首先我們要確定總體方案：總體方案是只針對(duì)所設(shè)計(jì)的任務(wù)、要求和條件，根據(jù)已經(jīng) 掌握的知識(shí)和資料從全局著眼，將總體功能

5、要求合理地發(fā)、分配給若干單元電路，并畫出一 個(gè)能夠表示各單元功能和總體工作原理的框圖。在分析比較各種資料的基礎(chǔ)上，發(fā)揮自己的 創(chuàng)造力，設(shè)想幾種系統(tǒng)方案，從設(shè)計(jì)的合理性、技術(shù)的先進(jìn)性、運(yùn)行的可靠性和制作的經(jīng)濟(jì) 性等方面，分別進(jìn)行技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)效益的比較，最后確定總體方案。方案選擇1單回路控制方案說(shuō)明：在對(duì)此典型控制系統(tǒng)的研究中，我們采用了最簡(jiǎn)單、最基本；應(yīng)用最廣泛、最成熟的 單回路控制系統(tǒng)。是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)整定的基礎(chǔ)。適用于被控對(duì)象滯后時(shí)間較 小，負(fù)載和干擾不大，控制質(zhì)量要求不很高的場(chǎng)合。在該題目的制作中，我們查閱了相關(guān)資料，知道單回路控制系統(tǒng)是指由一個(gè)測(cè)量變送 器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)

6、執(zhí)行器連同被控過(guò)程組成的、對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的反饋控制系 統(tǒng)。2對(duì)該系統(tǒng)的初步分析圖1，圖2分別是單回路控制的原理圖及系統(tǒng)工程圖。單回路控制通過(guò)輸出的反饋實(shí) 現(xiàn)對(duì)輸入的控制，控制方案簡(jiǎn)單；因?yàn)樯a(chǎn)實(shí)際對(duì)控制要求不是太高所以單回路控制可以滿足要求，被控對(duì)象是B罐的液位所以要選取液位高度H作為被控參數(shù)，為了使B罐的也為 基本無(wú)差調(diào)節(jié)規(guī)律可以采用PI調(diào)節(jié)，最后根據(jù)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定。系統(tǒng)的建模1、原系統(tǒng)變化液位與開關(guān)閥門閉合程度關(guān)系表達(dá)式首先，我們需要建立輸出液位與輸入的微小變化q1之間的關(guān)系，從而通過(guò)控制輸入的 變化來(lái)調(diào)節(jié)液位的輸出。分析被控對(duì)象:某連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程需要2個(gè)生產(chǎn)罐，罐A、B罐A直徑

7、1.5米，高2米，生產(chǎn)中為原料輸入罐；罐B為生產(chǎn)罐，直徑2米，高2米；兩個(gè)罐依照自然落差進(jìn)行安裝。罐A底邊距地3米，罐B落地安裝。生產(chǎn)中罐A輸入主 要原料為液體，管徑為DN=40；最大工藝流量8T/h；調(diào)節(jié)閥P=0.09MPa。要求罐B液位處 于一個(gè)人為設(shè)定的高度。要實(shí)現(xiàn)對(duì)B罐的控制有以下考慮：測(cè)量變送單元儀表的選擇，顯然采用深度測(cè)量比較簡(jiǎn)單，例如：利用深度傳感器對(duì)當(dāng)前 液位進(jìn)行測(cè)量一一也是為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。影響液位的因素：進(jìn)液量Q+q2以及排液量Q+q3, B罐為生產(chǎn)容器所以對(duì)A罐進(jìn)行控制 比較合理一一A罐可以有緩沖作用。在必要時(shí)可也可以對(duì)B罐進(jìn)行控制一一不影響生產(chǎn)情 況下，

8、所以在進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制時(shí)就要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制優(yōu)先級(jí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。對(duì)于A罐液要進(jìn)行相應(yīng)控制，只是不需要精確控制，只要不超過(guò)上限以及不影響B(tài)罐需 求的情況下即可。Q1A罐穩(wěn)態(tài)液體輸入分量Q2 B罐穩(wěn)態(tài)液體輸出分量%箱A的輸入流量對(duì)穩(wěn)態(tài)值的微小變化q2箱B的輸入流量對(duì)穩(wěn)態(tài)值的微小變化q3 箱B的輸出流量對(duì)穩(wěn)態(tài)值的微小變化H1箱A的穩(wěn)態(tài)液面高度H2箱B的穩(wěn)態(tài)液面高度h1箱A液面高度對(duì)穩(wěn)態(tài)值的微小變化h2箱B液面高度對(duì)穩(wěn)態(tài)值的微小變化R1箱A輸出管的液阻R2箱B輸出管的液阻已知：流量=液高/液阻，液箱的液容=液箱的橫截面積，液阻=液面差變化/流量變化不考慮液箱的互相影響其確定輸入量41與輸出量h2

9、之間的傳遞函數(shù)在微小的時(shí)間間隔dt內(nèi)，液箱的液體增量等于輸入量減去輸出量，即對(duì)于箱A， qdhjQ-qdt根據(jù)液阻的定義，與的關(guān)系為q =2 Ri當(dāng)&為常量時(shí)，從兩式中消去q2可得RC也+h=Rqii dt i ii對(duì)式兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換，并假設(shè)初始條件為零，可得:H (s)R2= 2Q2( s)RC2 s +1RCsH i (s) + H i (s) = Rg (s)整理后可得：容） =云=，同理，對(duì)箱B可得Q（ s） RCs +1聯(lián)立上述兩式，消去中間變量，可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H (s)R2 = 2Q (s)(RCs +1)(R C s +1)ii i2 2可以看出此式為一個(gè)二階系統(tǒng)。

10、參數(shù)說(shuō)明：根據(jù)已知可得：C1=1.77, C3.14。對(duì)于液阻選擇如下：（假設(shè)液位的變化不是很 大，則各液阻可以看作是常量）R1=R2 =1.帶入數(shù)據(jù)可得：H (s)i2=Qi( s)(i.77 s + i)(3.i4 s +1)2開環(huán)系統(tǒng)matlab仿真2.1原系統(tǒng)：2.2原系統(tǒng)輸出波形結(jié)果：穩(wěn)態(tài)誤差Ess=0,調(diào)節(jié)時(shí)間ts=13.5s (3%的誤差帶)2.3分析從前面仿真數(shù)據(jù)可以看出，液位h的變化跟隨流量的微小變化q而變化，即輸入有 了一定波動(dòng)，則輸出液位相應(yīng)的做出變化，原系統(tǒng)不可能按照我們實(shí)際設(shè)想的既定液位保持 不變，液位會(huì)一直隨著輸入或者輸出的變化進(jìn)行改變。即使原系統(tǒng)具有滿意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

11、特性，但是其穩(wěn)定特性不能令人滿意，可以通過(guò)在 前向通道中串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)姆答佈b置來(lái)解決，通過(guò)改變開關(guān)的大小來(lái)控制輸入的微小變化從 而調(diào)節(jié)液位的高低與預(yù)設(shè)液位達(dá)到平衡。下面要做的就是對(duì)原系統(tǒng)加入反饋環(huán)節(jié)。因此，為了保證液面不變，我們必須手動(dòng)控制閥門的閉合，來(lái)是液面穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的高 度。其中，流量變化q1的單位我們采用m/s，液位h的變化我們采用m。則單位時(shí)間內(nèi)， 輸入的液量變化為q1 m，液位變化為q1/C2，其中C2在前面已經(jīng)給出，為3.14 E， 故修改傳遞函數(shù)為：H (s)112 = XQ( s)3.14 (1.77 s +1)(3.14 s +1)也就是說(shuō)，我們要通過(guò)手動(dòng)控制閥門的變化來(lái)改變

12、液位的高度，結(jié)果為輸入一個(gè)單位階 躍響應(yīng)的變化，液位改變0.318m (以我們所設(shè)的數(shù)值計(jì)算)。下面我們通過(guò)設(shè)置閉環(huán)反饋來(lái) 自動(dòng)的改變閥門的開度，使之滿足要求。液位控制系統(tǒng)的工作原理1建立加入反饋的液位控制系統(tǒng)模型:設(shè)計(jì)思想：首先，設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)液位，并在預(yù)設(shè)液位放置一個(gè)深度傳感裝置，再在液面放置 一個(gè)深度傳感裝置，以測(cè)定實(shí)際液位，將兩個(gè)深度傳裝置的返回信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，對(duì)兩個(gè) 電信號(hào)做比較，可得出實(shí)際液位與預(yù)設(shè)液位之間的差別，產(chǎn)生一個(gè)差距電信號(hào)，傳輸?shù)椒糯?電路進(jìn)行電信號(hào)的放大，然后傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)將機(jī)械轉(zhuǎn)矩加到進(jìn)液閥 門，從而對(duì)進(jìn)液閥門做出開大或者關(guān)小開關(guān)的處理。如此動(dòng)態(tài)循

13、環(huán)，系統(tǒng)便能在很短的實(shí)際 內(nèi)到達(dá)新的平衡，達(dá)到預(yù)定液位。此處深度傳感我們采用連桿加浮球裝置。2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖與流程圖五、單位反饋的系統(tǒng)分析當(dāng)連桿位于電位器中點(diǎn)位置時(shí)，浮子電壓為零，電壓差為零，所以電動(dòng)機(jī)不動(dòng)，控制 閥門有一定的開度，使液箱中流入液量與流出液量相等，從而液面保持在希望高度上，此 時(shí)我們稱系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)連桿位于電位器中點(diǎn)位置偏上時(shí)，根據(jù)杠桿原理，箱內(nèi)液面下降，此時(shí)電壓差增大， 使電動(dòng)機(jī)工作，而控制閘門的開度，使入液量大于出液量，箱內(nèi)液面逐漸升高，從而漸漸 達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)連桿位于電位器中點(diǎn)位置偏下時(shí)，根據(jù)杠桿原理，箱內(nèi)液面上升，此時(shí)電壓差減小， 使電動(dòng)機(jī)工作，而控制閘門的開度，

14、使入液量小于出液量，箱內(nèi)液面逐漸降低，從而漸漸 達(dá)到平衡狀態(tài)。六、自控?cái)?shù)學(xué)模型的建立及其傳遞函數(shù)在前面的描述中，我們已知在本控制系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)Q1為進(jìn)液量(平衡狀態(tài) 下的增量)，Q2為出液量，Ho為平衡時(shí)的B罐液面高度，H為液面實(shí)際高度(平衡 狀態(tài)下的增量)，C為A，B液箱的橫截面積。電位計(jì)獨(dú)立工作沒什么意義，我們把給定液面體現(xiàn)在電位器上，這就需要電位器和連桿， 浮子一起工作，他們是一個(gè)整體。實(shí)際液面通過(guò)電位器，連桿，浮子得到電位值，與 預(yù)設(shè)液位通過(guò)電位器的反饋值比較，因?yàn)殡娢黄黧w現(xiàn)的是電壓的大小，而我們通過(guò)杠 桿原理還有浮子，將液面高度與電壓的關(guān)系聯(lián)系起來(lái)，且兩者的關(guān)系為正比關(guān)系。H(S)G

15、o(s)=KuU(S)。電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型設(shè)u (t)為輸入的控制電壓(V)，i電樞電流(A), M為電機(jī)產(chǎn)生的主動(dòng)力矩(N m),為電機(jī)軸的角速度(rad /5)L + Ri + 0 (t) = u(t) dt查閱資料后，得知:TT 勿 + T 如 + =Ku - K (TdM- + M )e m dt 2 m dt1 2 0 dt r式中：T = L稱為直流電動(dòng)機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)； 0 RT =稱為直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)；m K 0 K TOC o 1-5 h z _1_ RK1 = k，K2 = kk為比例系數(shù)。 0m 0直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電感比較小，一般情況下可以忽略不計(jì)，上式可化簡(jiǎn)為

16、 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document T 竺 + =Ku - K M m dt12 r對(duì)上式取拉氏變換，設(shè)初始條件為零，令K1=1，得電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)：3)閥門處得數(shù)學(xué)模型此環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)G (s)=m S(T s + 1) mG (s) = Q1(S) = Kv A Cs) 13)液池液面變化的數(shù)學(xué)模型由于有出液口，影響液箱內(nèi)液面的除了入液量，還有出液量。當(dāng)液流為層流時(shí)，系統(tǒng)是線性的；基于系統(tǒng)是線性的或者是線性化的這一假設(shè)，可 以求得系統(tǒng)的微分方程。當(dāng)Q1=Q2時(shí)，H=Ho；當(dāng)Q1不等于Q2時(shí)，液面的高度H也會(huì)發(fā)生變化，其變化率與流量差Q1-Q2成

17、正比，此時(shí)有C- = (Q1 - QQ) - (Q2 -Q0) dt_dH 一一于是液池的微分方程為尸蘇= Q1-Q2?。篞2= AH因?yàn)樵谖⑿r(shí)間間隔dt內(nèi)，容器內(nèi)存儲(chǔ)的液體增量等于輸入量減去輸出量。則液池的微分方程可表示為:dHF =Q1 - K Hdtm設(shè) T= K，KR t MTs + 1 TS + 1H (s)七、傳遞函數(shù) 砂的匯總i總的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖模型如下:實(shí)際液位給定液位kuT s + 11Ts+1K1sH（s）所以，總的傳遞函數(shù)而 為：（即實(shí)際液位與已知液位的傳遞關(guān)系）Gc( s)=H(s)1Ku*H (s) 3.14 s (T s + 1)( Ts + 1) + kk0m1 u

18、八.液箱控制系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)仿真（為簡(jiǎn)化畫圖，只畫了一級(jí)液箱）差分威大器口九.實(shí)際系統(tǒng)的仿真：（已將液量與液位的關(guān)系用物理關(guān)系 轉(zhuǎn)化）1系統(tǒng)加入閉環(huán)反饋后的simulink仿真2加入閉環(huán)后系統(tǒng)波形圖3結(jié)果Ts=6.92s原系統(tǒng)的13.5s（3%的誤差帶），最終穩(wěn)態(tài)液位c=0.3185m,與原系統(tǒng)符合。十、實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法1.閥門用氣動(dòng)式開關(guān)氣動(dòng)式開關(guān)作用：接受調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移 或直線位移，來(lái)改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）的流通截面積，以控制流入或流出被控過(guò)程的物料 或能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。2相應(yīng)執(zhí)行環(huán)節(jié)氣開式 +勤 T T +則調(diào)節(jié)器氣開式：當(dāng)壓力信號(hào)超過(guò)一定

19、值的時(shí)候，閥開始打開，即有氣則開。十一.實(shí)踐結(jié)論在原始的二級(jí)液箱系統(tǒng)中，生產(chǎn)用液箱的液位高度隨緩沖液箱的輸入液量的變化而 變化，輸入液量采用人工手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)，此種調(diào)節(jié)方式主要有兩個(gè)問題，一是，調(diào)節(jié)不精 確。人工操作不可能像數(shù)學(xué)計(jì)算一樣完全能夠精確到一個(gè)定值，所以輸入的液量就有微小變 化，達(dá)不到生產(chǎn)的要求。二，操作不方便。原系統(tǒng)中，如果要把液位改變到另外一個(gè)值，就得靠非常有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)員來(lái)控制閥 門的開度，以及開的時(shí)間，等等還得隨時(shí)觀察液位的變化來(lái)調(diào)節(jié)閥門開度，可見很是麻 煩。在改進(jìn)后的系統(tǒng)中，采用自動(dòng)控制的技術(shù)，很好的解決了原始系統(tǒng)中存在的問題， 一者，通過(guò)自動(dòng)控制，能夠使輸入液量達(dá)到一個(gè)精確

20、值。二者，可以很方便的設(shè)定一個(gè)欲調(diào) 節(jié)的液位，然后控制系統(tǒng)就能自動(dòng)的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)實(shí)際液位到預(yù)設(shè)液位，可使操作變得很方便簡(jiǎn) 單。十二.小組分工組長(zhǎng)：楊博文負(fù)責(zé)課題的確定，查找相關(guān)的資料，對(duì)單位反饋系統(tǒng)的的分析及建模以及參數(shù)的選擇， 最后的校驗(yàn)工作。組員：董朋主要做一些matlaB的系統(tǒng)仿真，數(shù)據(jù)的處理工作，以及最終文檔的編輯總結(jié)工作。 組員：王瑋收集資料，找出一些其他的類似系統(tǒng)做比較，找出值得借鑒的研究方法在我們自己的 系統(tǒng)中做補(bǔ)充，完善我們的研究。十三.實(shí)踐總結(jié)我們做這個(gè)自動(dòng)控制的仿真，最初只是簡(jiǎn)單的確定了這個(gè)題目，卻沒有找到具體的仿真 項(xiàng)目，我們先是想仿真課本上的直流電動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)，因?yàn)檎n本上給出了完整的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)圖和傳遞函數(shù)等，就可以簡(jiǎn)化我們