單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè)單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名文強(qiáng)學(xué)號(hào)2212130任課教師 陶瓏院、系、中心?？撇繉I(yè) 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化提交日期2015年10月日太原科技大學(xué)單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本論文以單容水箱為被控對(duì)象，給出了單閉環(huán)控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制。本論文還針對(duì)每種控制系統(tǒng)，在Matlab的Simulink中建立仿真模型進(jìn)行仿真，得到仿真曲線，并且利用仿真曲線分析控制系統(tǒng)的性能，例如最大動(dòng)態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時(shí)間、衰減率和積分性能指標(biāo)IAE等。單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括P、I、PI和PID的設(shè)計(jì)。本文分別通過(guò)衰減頻率特性法（理論整定法）和衰減曲線法（工程整定法）對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行了整定。本論文還通過(guò)比較各控制系統(tǒng)的仿真曲線和系統(tǒng)性能指標(biāo)，對(duì)各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)串級(jí)控制和前饋反饋控制可提高系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：PID；串級(jí)；前饋反饋；參數(shù)整定；SimulinkDesignonWaterLevelControlinaTankAbstractThisthesisprovidesdesignmethodsofsingleclosed-loopcontrolsystem,cascadecontrolsystemandfeedforwardcontrolsystemaboutthecontrolledobjectasinglewatertank,anditachievesthegoalofcontrollinglevel.Foreverykindofcontrolsystem,simulationmodelisestablishedbyusingsimulationtoolMatlab,simulationcurvescananalysistheperformanceofcontrolsystem,suchasthemaximumpercentovershoot,settlingtime,attenuationrateandIAE.Thedesignofsingleclosed-loopcontrolsystemincludesdesignsofP,I,PIandPID.Thecontrollerparameteristunedbyfrequencyresponseofattenuationrateandtheattenuationcurve.Allthecontroldesignmethodsincludedarecomparedbysimulationcurvesandperformanceindexesandwefinallyfindthatcascadecontrolandfeedforwardcontrolareabletoimprovesystem’sperformance.Keywords:PID；Cascade；Feedforward-feedback；Parametertuning；Simulink目錄摘要ABSTRACT I1設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容02單容水箱系統(tǒng)建模23單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.1比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)53.2積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.3比例-積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.4比例-積分-微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)134串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)175前饋控制方案設(shè)計(jì)196實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告206.1壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)206.2液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)226.3上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn)246.4前饋反饋控制實(shí)驗(yàn)277總結(jié)31參考文獻(xiàn)31附錄321設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容Kg)H F圖1單容水箱液位控制系統(tǒng)單容水箱液位控制系統(tǒng)如題圖1所示。已知F=1000cm2,R=0.03s/cm2。調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，其靜態(tài)增益|k|=28gsmA，液位變送器靜態(tài)V拍jinK|_imA/cm。 .m畫出該系統(tǒng)的傳遞方框圖；對(duì)單容水箱、調(diào)節(jié)閥、液位變送器進(jìn)行建模，理解F、R、Kv、Km的物理意義和量綱的關(guān)系。采用單閉環(huán)控制，分別設(shè)計(jì)P、I、PI、PID調(diào)節(jié)器，定義性能指標(biāo)，對(duì)控制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。(定義哪些性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)？)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，工程的方法和理論的方法；設(shè)計(jì)串級(jí)和前饋控制系統(tǒng)，分析性能，并和單閉環(huán)進(jìn)行對(duì)比。（6）結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。說(shuō)明：1） 仿真工具采用Matlab2） 本設(shè)計(jì)持續(xù)一個(gè)學(xué)期，答案不唯一，大家可以相互討論，但每個(gè)人都要做設(shè)計(jì)。3） 在整個(gè)學(xué)期中，不定期的上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的電子版。電子版命名方法為：學(xué)號(hào)+姓名?rar內(nèi)分2個(gè)目錄：\document用于存放文檔；\simulation用于存放仿真文件；每次提交的時(shí)候，.2單容水箱系統(tǒng)建模單容水箱系統(tǒng)的傳遞方框圖如所示圖2單容水箱系統(tǒng)的傳遞方框圖在任何時(shí)刻水位的變化均滿足物料平衡方程[5]dH1頑=萬(wàn)（Q+Q廣Q）（2-

dtFid。 'dH1e華奇=F其中Qi=k/(2-。廣晉(2-F為水槽的橫截面積，F(xiàn)=1000cm2；上為決定于閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；r是及負(fù)載閥的開度有關(guān)的系數(shù)，在固定不變的開度下，r可視為常數(shù)，R=0.03s/cm2；,為調(diào)節(jié)閥開度，控制水流入量q，由控制器LC控制；Kv為閥門靜態(tài)增益，即當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，閥門的增益，由于閥門為氣關(guān)式，所以Kv為“一”，即K=28cm3/smA，可將閥門看成一個(gè)靜態(tài)增益為氣的一階慣性環(huán)節(jié)；液位變送器靜態(tài)增益Km為儀表的輸出范圍/儀表的輸入范圍，假設(shè)液位變送器為線性儀表，則其可看成是一增益為K=lmA/cm的比例環(huán)節(jié)；g為擾動(dòng)，其值可根據(jù)具體情況而定。假設(shè)擾動(dòng)g為常值，在起始的穩(wěn)定平衡工況下，平衡方程式（2-1）變?yōu)?=!（g.。+Qd°-叮（2式（2-5）減式（2-1）得式（2-6）d式（2-6）dAH

dt=(2-就是動(dòng)態(tài)平衡方程式（1-1）的增量形式?？紤]水位只在其穩(wěn)態(tài)值附近的小范圍內(nèi)變化，故可得以下近似TOC\o"1-5"\h\z… 1 .七E皿(2-于是式（2-6）可化為dAH

dt1 1dAH

dt=(AQ-——=AH)(2—

Fi2R(H (2V0如果各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起算點(diǎn)，則可去掉上市中的增量符號(hào)，得Laplace變換得:dH1 1 /=(Q― H)(2-dtFi2RJH 、'0zx1 1 /、、sH(s)=F2RhH(s))(2-10假設(shè)液位的初始值為h=16cm，代入數(shù)據(jù)得單容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型0sH(s)=-^(Q 1=H(s))(oil1000i2*0.03**16 (2ii3/41被控對(duì)象傳遞函數(shù)為H(H(s)

Q(S)0.3

300s+1(2-12假設(shè)調(diào)節(jié)閥為一階慣性環(huán)節(jié)，于是得單容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖3圖3單容水箱系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖3單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)K=-28cm3/s*mA,K=1mA/cm，假設(shè)T=1s3.1比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)vpm (svpm (s+1)(300s+1)令m=0.221,中=0.75，根據(jù)頻率特性法5整定控制器的參數(shù)得則由式(3-1)解得o，IKM^(m,①)=1中(m,①)=―兀Ip'ss再由K1(3-1)，可得到Kp理論整定圖4比例控制仿真圖(1)、理論整定方法:廣義被控對(duì)象為一一一一 一8.4G(s)=G(s)G(s)G(s)=值。(2)、工程整定方法：采用衰減曲線法[5]

y—16約=24.0481,七=18.。616,W=1—七姬=0.7438總0.75'1T=5.08—2.32=2.76s,K=—200,8=/=—0.005p由衰減曲線法參數(shù)整定公式可整定得到比例度8、積分時(shí)間tI和微分時(shí)間td的整定值，結(jié)果如表1所示：表1衰減曲線法參數(shù)整定計(jì)算表衰減率W" 整定參數(shù)\調(diào)節(jié)規(guī)律、8TiTd0.75P-0.005PI-0.0061.38PID-0.0040.8280.276（3）、性能指標(biāo):在t=15s,加入擾動(dòng)q=5000cm3,得到仿真曲線如附圖1所示。將波形數(shù)據(jù)通過(guò)“ToWorkspace”輸出到Matlab工作區(qū)進(jìn)行計(jì)算，可得8=—0.005時(shí)，該比例控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：衰減率：v=0.7438最大動(dòng)態(tài)偏差：8.0481殘余偏差：-0?9018調(diào)節(jié)時(shí)間：6s絕對(duì)誤差積分IAE：3.7569結(jié)論：有差控制，對(duì)小的干擾由較好的抑制作用，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。3.2積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論整定方法：廣義被控對(duì)象為TOC\o"1-5"\h\z一一一一 —8.4G仲S)=G(S)GP(S)Gm(S)=(s+1)(300s+1)令m=0.221,中廣0.75，根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得S—小m：「0-M皿,①) (3-2)一：、、丸，，甲(m,①)=一一+arctanmp'ss2 s貝lj由式(3-2)可解得o，再由S=叭'im，可得到S(積分速s 0M(m^,①) 0度)，進(jìn)而可計(jì)算出積分時(shí)間t=-1理論整定值。iS0、性能指標(biāo):

積分控制系統(tǒng)仿真框圖:圖6積分控制仿真圖I=-1/20對(duì)積分控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定：I=—1/20；Q^0，得仿真曲線如下圖所示。由仿真曲線可知，積分控制最終能實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，但系統(tǒng)振蕩頻率低，超調(diào)量很大（約為190cm），調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)（約為5000s），因此單獨(dú)使用積分控制，系統(tǒng)性能較差。圖7積分控制仿真圖I=-1/20，Qd=0在t=5000s時(shí)加入擾動(dòng)Q=5000cm3，得仿真曲線：由圖可知，系統(tǒng)能抑制階躍擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，但超調(diào)量很大，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。圖8積分控制仿真圖I=-1/20,Qd=5000cm33.3比例-積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖9PI圖8積分控制仿真圖I=-1/20,Qd=5000cm33.3比例-積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖9PI控制仿真框圖（1）、理論整定方法:廣義被控對(duì)象為G(s)=G(s)G(s)G(s)=—8.4(s+1)(300s+1)令m=0.221,中=0.75,根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得9/41S=-又「 )[msin中(m,①)+cos中(m,①)]S———(1+m「)sin中(m,①)

。M(m,①) p'sp'ss以①為參變量，S1和S0分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，式(3-3)表示的控制器整定參數(shù)之間的關(guān)系可以畫成等衰減曲線圖。圖中每條曲線代表某一規(guī)定的衰減率中=0.75，等衰減曲線上的每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表控制器的一組整棟參數(shù)。選擇一組合適的①、*、S。作為控制器的整定參數(shù)。、工程整定方法：衰減曲線法如表1得，擾動(dòng)Qd=0，5—-0.006,T^-1.38s，得仿真曲線如下圖10PI控制仿真曲線P=-1/0.006,I=-1/1.38,Qd=0可得y—16yi—23.3368,y2=17.6150,W=1—% —0.7798'1T=5.4—2.4—3s,5——0.006,T=1.38ss I（3）、性能指標(biāo)：

擾動(dòng)Qd=5000cm3,5=—0.006,T=1.38s圖11PI控制仿真曲線P=-1/0.006,I=-1/1.38,Qd=5000cm3對(duì)擾動(dòng)的抑制作用很差，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能消除偏差，因此加大積分的作用，減小積分時(shí)間T,，增大比例增益，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度擾動(dòng)Qd=5000cm3，5=—0.006,T=0.01s圖12PI控制仿真曲線P=-1/0.006,I=-1/0.01，Qd=5000cm3由圖可知，減小了積分時(shí)間［后，調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短，大約為

15s,能在較短的時(shí)間內(nèi)接近穩(wěn)態(tài)值擾動(dòng)Qd=5000cm3,5=—0.003,]=0.01s圖13PI控制仿真曲線P=-1/0.003,I=-1/0.01,Qd=5000cm3由圖可知，繼續(xù)比例帶5，可使調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步減小，大約為9s，偏差減小，系統(tǒng)響應(yīng)加快。對(duì)應(yīng)擾動(dòng)q=5000cm3，5=-0.003,T=0.01s的性能指標(biāo)如下：d衰減率：V=0.7798最大動(dòng)態(tài)偏差：7.3368殘余偏差：0調(diào)節(jié)時(shí)間：9s絕對(duì)誤差積分IAE：3.9498

3.4比例-積分-微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.4比例-積分-微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖14PID控制仿真框圖(1)、理論整定方法:廣義被控對(duì)象為一一一一 一8.4G仲S)=G(S)GP(S)Gm(s)=(s+1)(300s+1)令m=0.221,中=0.75,根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得1S=°(1+m2)0 sS=-—「——)^msin中(m,①)+cos中1S=°(1+m2)0 s——i sin中(m,①)+①Sp'ss令T/T=1/4，則式(3-4)由三個(gè)變量，以°為參變量，S和SDI 1 0分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，式(3-4)表示的控制器整定參數(shù)之間的關(guān)系可以畫成等衰減曲線圖。圖中每條曲線代表某一規(guī)定的衰減率CP=0.75，等衰減曲線上的每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表控制器的一組整定參數(shù)。選擇一組合適的O、s、S、S作為控制器的整定參數(shù)。1 0 2(2)、工程整定方法：如表1得，5=—0.004,t=0.828s,T=0.276s，得仿真曲線如下圖15PID控制仿真曲線P=-1/0.004,I=-1/0.828,D=-0.276,Qd=0可得y—16七=24.7026,七=18.5801,W=1—y2姬=0.7035'iT=4.6405—2.2259=2.4146s,5=—0.004,T=0.828s,T=0.276s（3）、性能指標(biāo)：擾動(dòng)Qd=5000cm3，5=—0.004,T=0.828s,TD=0.276s

圖16PID控制仿真曲線P=-1/0.004,I=-1/0.828,D=-0.276,Qd=5000cm3同比例積分控制，比例積分微分控制對(duì)擾動(dòng)的抑制作用很差，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能消除偏差，因此加大積分的作用，減小積分時(shí)間）減小比例帶，增加微分時(shí)間，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。擾動(dòng)Qd=5000cm3，5=—0.004,匕=0.01s,孔=0.276s圖17PID控制仿真曲線P=-1/0.004,I=-1/0.01，D=-0.276,Qd=5000cm3由圖可知，減小了積分時(shí)間[后，調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短，大約為10S,能在較短的時(shí)間內(nèi)接近穩(wěn)態(tài)值。擾動(dòng)Qd=5000cm3，5=-0.001,T=0.01s,=0.276s圖18PID控制仿真曲線P=-1/0.001，I=-1/0.01，D=-0.276,

Qd=5000cm3由圖可知，繼續(xù)比例帶5，可使調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步減小，大約為5s，偏差減小，系統(tǒng)響應(yīng)加快。對(duì)應(yīng)擾動(dòng)q廣5000cm3，5=—0.001,[=0.01s,T。=0.276s的性能指標(biāo)如下：衰減率：v=0.7035最大動(dòng)態(tài)偏差：24.7026殘余偏差：0調(diào)節(jié)時(shí)間：5s絕對(duì)誤差積分IAE：2.2275前面的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）較長(zhǎng)，最大動(dòng)態(tài)偏差較大，單閉環(huán)控制效果不佳，而且未考慮對(duì)象的純遲延時(shí)間。采用串級(jí)控制可提高系統(tǒng)性能，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，減小最大動(dòng)態(tài)偏差，減小對(duì)象純遲延時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響。HnlPlDC-silrdtorTrirnl■-Fnr1下圖為串級(jí)控制系統(tǒng)仿真框圖:七HnlPlDC-silrdtorTrirnl■-Fnr1下圖為串級(jí)控制系統(tǒng)仿真框圖:七0.001一■MOs+1F啊圖19串級(jí)控制仿真框圖對(duì)主副調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定：主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為P=1,1=1/0.01刀=2.3；主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為P=—1/1.15,1=-1/0.11,D=—4.3；擾動(dòng)Q廣0，得串級(jí)控制系統(tǒng)仿真如下圖所示：由仿真圖可知控制振蕩頻率低，衰減慢，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，最大動(dòng)態(tài)偏差大，但無(wú)靜差。

圖20串級(jí)控制仿真曲線Qd=0在t=160s時(shí)加入擾動(dòng)Q^=5000cm3,仿真結(jié)果如下圖所示，由圖可知，系統(tǒng)能已知階躍擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，但超調(diào)量很大，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。圖21串級(jí)控制仿真曲線Qd=5000cm35前饋控制方案設(shè)計(jì)采用前饋反饋控制可在輸出發(fā)生變化時(shí)，提前做出修正，減小擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。因此前饋反饋控制可以提高系統(tǒng)性能，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，減小最大動(dòng)態(tài)偏差，減小對(duì)象純遲延時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響。如圖為前饋反饋控制系統(tǒng)仿真方框圖：圖22前饋控制仿真框圖比值分別為RATIO1=0.9,RATIO2=0.1；延遲時(shí)間…0.1s；PID控制器參數(shù)分別為p=-1/0.004,1=-1/0.01,D=-0.276；擾動(dòng)Q=5000cm3，在t=20s時(shí)加入；流量變送器等效為增益為1的比例環(huán)節(jié)；設(shè)定值為16cm，得圖仿真曲線如附圖2所示。將前饋斷開，得仿真曲線如附圖3所示，系統(tǒng)不穩(wěn)定。及單閉環(huán)相比，引入前饋后，在系統(tǒng)輸出發(fā)生變化之前，前饋控制提前對(duì)擾動(dòng)做出修正，減小了擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。因此，前饋控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)時(shí)間大大減?。s為2.5s），最大動(dòng)態(tài)偏差減?。s為1?5cm），6實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告6.1壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)6.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)掌握壓力單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路壓力控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì)、臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，熟悉PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行PID參數(shù)的自整定和自動(dòng)控制的投運(yùn)。6.1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 采用階躍響應(yīng)法、臨界比例度法、衰減曲線法整定PID參數(shù)，并驗(yàn)證參數(shù)的有效性；（2） 采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定PID參數(shù)，并驗(yàn)證其有效性。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下:參數(shù)說(shuō)明Sn=331-5V電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為0Dil=0輸入下限顯示值Dih=100輸入上限顯示值Opl=4輸出4-20mA電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無(wú)外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置6.1.3實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.1.4實(shí)驗(yàn)步驟壓力單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖：圖23壓力單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖（1） 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將閥門V7,V10打開；（2） 接通總電源，各儀表電源。將PCT-II面板上的雙擲開關(guān)擲到外控端；（3） 整定參數(shù)值的計(jì)算值；（4） 將計(jì)算所得的PID參數(shù)值置于控制器中，系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。加入擾動(dòng)信號(hào)觀察各被測(cè)量的變化，直至過(guò)渡過(guò)程曲線符合要求為止；（5） 曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理。（6） 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理。6.1.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)所用調(diào)節(jié)器為808模糊控制器（手動(dòng)/自動(dòng)輸出），其給定值為818PID控制器（手動(dòng)/自動(dòng)輸出）的輸出。將808模糊控制器的設(shè)定值設(shè)置為某一值，再令CtrL=2，系統(tǒng)進(jìn)入自整定狀態(tài)，幾秒鐘后，測(cè)量值穩(wěn)定在控制器的設(shè)定值上。6.2液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)6.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)掌握液位單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路壓力控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì)、臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系統(tǒng)的PID參數(shù)，熟悉PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行PID參數(shù)的自整定和自動(dòng)控制的投運(yùn)。6.2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 采用采用階躍響應(yīng)法、臨界比例度法、衰減曲線法整定PID參數(shù)，并驗(yàn)證參數(shù)的有效性；（2） 采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定PID參數(shù)，并驗(yàn)證其有效性。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下:參數(shù)說(shuō)明DF=3回差值Sn=331-5V電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為0Dil=0輸入下限顯示值Dih=450輸入上限顯示值Opl=4輸出4-20mA電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無(wú)外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置6.2.3實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.2.4實(shí)驗(yàn)步驟液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖:圖24液位單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖（1） 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線（2） 使水泵工作在恒壓供水狀態(tài)（3） 接通總電源和儀表電源（4） 將閥門V2、V10、V7打開，其余閥門關(guān)閉（5） 整定參數(shù)值的計(jì)算（6） 將計(jì)算所得的PID參數(shù)值置于控制器中，系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。加入擾動(dòng)信號(hào)觀察各被測(cè)量的變化，直至過(guò)渡過(guò)程單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)曲線符合要求為止（7） 曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理（8） 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理6.2.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果818PID控制器為液位單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器，808模糊控制器為壓力單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器。液位單閉環(huán)818PID控制器的輸出為壓力單閉環(huán)的設(shè)定值，當(dāng)其輸出值發(fā)生變化時(shí)，相當(dāng)于給壓力單閉環(huán)一個(gè)擾動(dòng)。令808的CtrL=2，在控制閥開度變化時(shí)，其測(cè)量值仍能很快地跟隨其設(shè)定值。設(shè)置818PID控制器的P、I、D值，剛開始時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量較大，達(dá)到80%左右，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。為此，需修改P、I、D值，改善系統(tǒng)性能，減小比例帶P，減小積分時(shí)間I，增大微分時(shí)間D。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，最終系統(tǒng)性能達(dá)到了較好的狀態(tài)。6.3上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn)6.3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；掌握串級(jí)控制主、副回路的選擇；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)投運(yùn)方法；了解串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路和主回路擾動(dòng)的克服能力。6.3.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的方案（2） 設(shè)計(jì)串級(jí)控制的主、副控制器（3） 串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定（4） 抗干擾試驗(yàn)，分別將干擾加于主回路和副回路，觀察并記錄控制效果，并進(jìn)行分析（5） 對(duì)比實(shí)驗(yàn)，于單回路液位控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下:主調(diào)節(jié)器參數(shù)說(shuō)明副調(diào)節(jié)器參數(shù)說(shuō)明DF=3回差值DF=3回差值Sn=331-5V電壓輸入Sn=321-5V電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為0Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為0Dil=0輸入下限顯示值Dil=0輸入下限顯示值Dih=450輸入上限顯示值Dih=100輸入上限顯示值Opl=4輸出4-20mA電流Opl=4輸出4-20mA電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無(wú)外部輸入CF=8調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無(wú)外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置Run=2自動(dòng)調(diào)節(jié)，禁止手動(dòng)設(shè)置6.3.3實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.3.4實(shí)驗(yàn)步驟串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖:主參數(shù)設(shè)定d22流量擾動(dòng)主參數(shù)設(shè)定d22流量擾動(dòng)流量變送器副參數(shù)液位變送器圖25串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖（1） 選擇控制系統(tǒng)的方案，上水箱液位和主回路流量（2） 選擇主被控參數(shù)、副被控參數(shù)、打開手動(dòng)閥門V2、V7、V10（3） 選擇主副控制器，在恒壓供水條件下工作，按事先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)接線圖將實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線接好（4） 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的整定，先自整定副回路流量系統(tǒng)。待系統(tǒng)穩(wěn)定后再整定主回路液位系統(tǒng)，最后串在一起整定（5） 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，上水箱液位加個(gè)給定，觀察計(jì)算機(jī)上流量和液位的曲線的變化，并保存此曲線（6）系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別在主副回路加個(gè)干擾信號(hào)，然后觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化6.3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)相比較，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)流量擾動(dòng)的抑制大大增強(qiáng)，使其對(duì)主參數(shù)的影響大大減小。因而串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）減少，最大動(dòng)態(tài)偏差減少?？刂菩阅芊治觯海ˋ） 由于副回路的快速作用，可迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，故選用PI作用可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)（B） 弓|入副回路減小了副對(duì)象的相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度，這對(duì)克服進(jìn)入主副回路的干擾都是有利的（C） 串級(jí)控制系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的魯棒性（D） 副回路可按主回路的要求對(duì)副變量進(jìn)行精確的控制（E） 由于該串級(jí)系統(tǒng)有較大的滯后，故可以采用PID作用進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)6.4前饋反饋控制實(shí)驗(yàn)6.4.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的液位控制，掌握前饋反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，前饋量的選擇，控制參數(shù)的整定等方法。6.4.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)試液位和流量的動(dòng)態(tài)特性27/41（2） 確定擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)、對(duì)象控制通道的傳遞函數(shù)（3） 用比值器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)前饋、前饋反饋的控制系統(tǒng)（4） 整定前饋反饋控制系統(tǒng)參數(shù)（5） 分析簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)及前饋反饋控制系統(tǒng)控制質(zhì)量調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下：反饋調(diào)節(jié)器參數(shù)說(shuō)明DF=3回差值Sn=331-5V電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為0Dil=0輸入下限顯示值Dih=100輸入上限顯示值Opl=4輸出4-20mA電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無(wú)外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置6.4.3實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.4.4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖：

液位變送器 說(shuō)水箱—-液位變送器 說(shuō)水箱—-主參數(shù)圖26前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖（1） 設(shè)計(jì)控制方案（2） 計(jì)算比值系數(shù)（3） 完成恒壓供水系統(tǒng)接線（4） 完成比值控制系統(tǒng)接線（5） 將閥門V2、V3、V9、V10、V7打開，其余閥門關(guān)閉（6） 接通總電源和各儀表電源（7） 調(diào)節(jié)PCT-II面板上電位器K1可改變主副流量的比值，比值的范圍是。?1~1倍（8） 控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，控制器的參數(shù)整定可按單回路或串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行。由于流量變化速度快，調(diào)節(jié)器不能整定出比較合理的參數(shù)，需根據(jù)曲線來(lái)人工調(diào)整（9） 系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變主回路流量的大小，觀察副回路流量的變化（10）觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化，記錄并處理歷史曲線（11） 改變比例器的比例系數(shù)，觀察流量的變化6.4.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及液位單閉環(huán)相比較，前饋反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）減少，最大動(dòng)態(tài)偏差減少?？刂菩阅芊治觯簭那梆伩刂频慕嵌?，由于反饋，減輕了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并可對(duì)未作前饋補(bǔ)償?shù)母蓴_進(jìn)行校正；從反饋的角度，前饋控制事先