雙容水箱畢業(yè)答辯課件

1、安 徽 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計雙容水箱實驗教學(xué)仿真系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計班 級： 過控08-3班答 辯 人： 錢俊鋒指導(dǎo)教師：周毅鈞副教授匯報內(nèi)容安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計一 、研究背景及意義二、水箱建模與PID整定理論三、控制方案設(shè)計四、控制系統(tǒng)仿真與檢驗五、結(jié)論一、研究背景及意義 雙容水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強的代表性，有較強的工業(yè)背景，對雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制。而且，雙容水箱的控制可以作為研究

2、更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計二、水箱建模與PID整定理論水箱A水箱BR1Q1R2QiQ0H1H2雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱數(shù)學(xué)建模二、水箱建模與PID整定理論安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成如上圖所示，它是兩個串聯(lián)在一起的水箱，水首先進(jìn)入水箱A，然后通過閥R1流入水箱B，再通過閥R2從水箱B中流出。水流入量Q1由變頻控制泵來加以調(diào)節(jié)，流出量Q0由用戶需要改變。被控變量為水箱B的水位H2,根據(jù)結(jié)構(gòu)圖可以寫出兩個水箱在任何時間的物料平衡方程： 水箱A： 2-1 水箱B： 2-2 其中： ， ， 2-3 ， 為水箱的

3、截面積， ， 代表線性化水阻，Q，H和u等均以各個量的穩(wěn)態(tài)值為 起始點。 二、水箱建模與PID整定理論安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計將式2-3代入式2-1和式2-1，合并整理后得： 2-4 ， 2-5 其中： ， ， 從式3-15和式3-16兩式中消去 得： 2-6上式顯然是一個二階微分方程，這是被控對象兩個串聯(lián)水箱的反映。2-6轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬟f函數(shù)形式為：當(dāng)過程具有純時延，則傳遞函數(shù)為：式中 為總放大系數(shù)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PID控制基本原理圖 PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象所組成，而PID控制器則由比例（P）、積分（I）、微分（D）三個環(huán)節(jié)組成，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成的偏

4、差信號e(t)，并將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示：式中u(t)-控制器的輸出； e(t)-控制器的輸入，它是給定值和被控對象輸出的差，稱為偏差信號； -控制器的比例系數(shù)；-控制器的積分時間；-控制器的微分時間。二、水箱建模與PID整定理論 相比于單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多出了一個測量變送器和一個控制器，在功能上具有非常突出的優(yōu)點：能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾能改善被控對象特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。主回路對副對象具“魯棒性”，提高了系統(tǒng)的控制精度。為有效控制水箱液位，本設(shè)計采用串級控制系統(tǒng)。三

5、、控制方案設(shè)計串級控制系統(tǒng)框圖安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計三、控制方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 串級控制系統(tǒng)主副控制器串聯(lián)在一起，其中任意一個控制器的參數(shù)發(fā)生變化對整個系統(tǒng)均有影響，因此串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù)雜。串級控制系統(tǒng)中主回路是一個定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對主變量有較高的控制精度要求，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，只要求副變量能快速準(zhǔn)確的跟隨主控器的輸出變化而變化。在工程實踐中串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。由于逐步逼近法步驟非常繁瑣，費時費力，在實際中已經(jīng)很少使用，此外為相對提高控制器參數(shù)的合理性，本設(shè)計采用應(yīng)用

6、最為廣泛的兩步整定法整定PID參數(shù)。 整定控制系統(tǒng)PID參數(shù)副回路采用衰減曲線法整定PID參數(shù)，主回路采用臨界比例度法整定三、控制方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計整定副回路階躍響應(yīng)曲線整定副主路階躍響應(yīng)曲線根據(jù)經(jīng)驗公式，計算主副回路控制參數(shù)，并加以微量修整，得到，主副回路的PID參數(shù)三、控制方案設(shè)計安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計控制器主220.2131.3副34 打開Matlab，建立串級控制系統(tǒng)的Simulink模型 ，并根據(jù)上表設(shè)定主副控制器的PID參數(shù)。輸入階躍信號，觀察示波器上的仿真曲線圖。四、控制系統(tǒng)仿真與檢驗安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計雙容水箱串級控制系統(tǒng)simulink仿真框圖四、控制系統(tǒng)仿真與檢驗安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計串級控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 測試控制系統(tǒng)抗擾動能力建立如下所示仿真框圖，設(shè)置主、副控制器的PID參數(shù)，在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為10的階躍信號， 在150s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為20的擾動信號。觀察示波器上仿真曲線 四、控制系統(tǒng)仿真與檢驗安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計圖 控制系統(tǒng)抗擾動能力測試simulink仿真框圖 串級PID控制的設(shè)計方案完成對水箱液位的控制調(diào)節(jié)是可行的。而且在改善系統(tǒng)的動態(tài)特性、抗擾動能力等方面與非串級控制系統(tǒng)是較為有效的。之前整定出的主副控制器PID參數(shù)值也是合適可用的。但是仿真曲線只是在計算機上通過對實際