雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計.doc

裝訂線長 春 大 學 課程設計紙長 春 大 學過 程 控 制 實 習 報 告 題目名稱 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計 院（系） 電子信息工程學院 專業(yè)（班級） 自動化13403 學生姓名 張華挺 指導教師 程廣亮 起止日期 2016.06.012016.06.07 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計摘要該實驗裝置采用A3000過程控制裝置,采用串級控制的方法來實現(xiàn) 對雙容水箱中下水箱液位的控制,并且通過Matlab對系統(tǒng)進行仿真,通過組態(tài)王將設計好的系統(tǒng)在設備上進行調(diào)試。在此次設計中，利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)等實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。實驗結(jié)果表明,串級控制的內(nèi)回路能夠有 效地克服二次擾動的影響,可以加大主控制器的增益,從而對控制難度大的二階對象進行有效控制。 關(guān)鍵詞控制系統(tǒng) 仿真 串級控制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 lower 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 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 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)總體設計1第2章 液位控制系統(tǒng)方案設計22.1串級控制系統(tǒng)的組成22.1串級控制系統(tǒng)的設計22.1.1主回路的設計22.1.2副回路的設計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)過程中很重要的被控變量。在實際生產(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)成本、經(jīng)濟效益甚至設備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。1.1 系統(tǒng)總體設計兩個控制器都有各自的測量輸入，但只有主控制器具有自己獨立的設定值，只有副控制器的輸出信號送給被控對象，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)?？刂破鞯妮敵鲇脕砀淖兞硪粋€控制器的設定值，這樣連接起來的兩個控制器件稱為串級控制器。這次仿真系統(tǒng)的雙容水箱串級控制系統(tǒng)如下圖所示：圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第2章 液位控制系統(tǒng)方案設計該設計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無法得到滿意的效果。所以應該及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，繞后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。2.1串級控制系統(tǒng)的組成1.主、副回路：從串級控制系統(tǒng)的框圖可以看到，系統(tǒng)有兩個閉合回路。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作用的被控變量；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、副對象：主回路所包括的對象稱為主對象；副回路所包括的對象稱為副對象。5.主、副檢測變送器：檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。主控制器的輸入是由工藝給定的，通常是一個定值，因此串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)；而副控制器的設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，因此串級控制系統(tǒng)的副回路是一個隨動控制系統(tǒng)。2.1串級控制系統(tǒng)的設計串級控制系統(tǒng)的設計包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設計和主、副控制器的正、反作用方式的確定等。2.1.1主回路的設計串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行設計。主變量（操縱量）的選擇原則與單回路控制系統(tǒng)的選擇原則一致，即選擇直接或間接地反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制目的的參數(shù)作主為主變量。2.1.2副回路的設計副回路的設計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級控制系統(tǒng)優(yōu)勢的關(guān)鍵。首先是要從被控制對象的多個變量中選擇一個變量作為副變量。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)器起隨動控制作用。 主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差。在液位串級控制系統(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)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，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控制原理在工程實際中，應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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控制基本原理第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MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，下面根據(jù)前文的水箱模擬傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進行仿真，以模擬實際中的階躍響應曲線，考察串級系統(tǒng)的設計方案是否合理。1. 階躍響應性能 圖3.1為SIMULINK仿真圖在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設置主控制器PID參數(shù)KP=60TI=50TD=3;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點加40點階躍輸入量觀察階躍響應曲線。圖3.2為MATLAB加入副回路仿真曲線圖3.3MATLAB不加入副回路仿真曲線3.4SIMULINK仿真框圖維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應曲線.在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號?？刂破鲄?shù)不變。圖3.6MATLAB不加入副回路仿真曲線綜上可知，選擇串級PID控制的設計方案完成對水箱液位的控制調(diào)節(jié)應當是可行的.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。但是仿真曲線只是在計算機上通過對實際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實際系統(tǒng)設計現(xiàn)場必須綜合考慮各方面的因素，不可能得到與計算機仿真一致的理想曲線和控制性能。第4章系統(tǒng)過程流圖第5章結(jié)論控制器工作方式為正作用。輸入增大時，輸出趨向越大。通過測量位置信號的采樣反饋，與給定值相比較，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)達到較滿意的狀態(tài)。加階躍信號后觀察系統(tǒng)的動態(tài)性能，由曲線和響應數(shù)據(jù)得延遲時間Td=90s,峰值時間Tp=170s,調(diào)節(jié)時間Ts=700s,超調(diào)量為19%(最大峰值85.7mm)，,衰減比3：1。通過增加比例系數(shù)克服擾動，但比例系數(shù)的加大會使上升速度加快，曲線變陡，造成調(diào)節(jié)閥動作幅度的加大，引起被調(diào)量的來回波動。加入適當?shù)奈⒎肿饔茫梢允瓜到y(tǒng)超調(diào)減小，但加入過大微分作用，會造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定，陷入振蕩中。在計算機中改變PID參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥不能很快動作，特別是在上升到接近階躍輸入設定值時，調(diào)節(jié)閥輸出值減少過慢，使液位超過設定值后仍在上升會造成超調(diào)增大。第6章致謝在這次課程設計中，不但培養(yǎng)了我們的動手能力，也讓我們發(fā)現(xiàn)了自身的許多不足，得以及時加以改正，不斷提高自己。同時也促進了我與其他同學的團隊合作，共同探討，共同前進的精神，使小組成員的友誼和默契，并且共同學到了十分有用又實際的知識，加深了我們對于專業(yè)課程的應用和理解，將理論與實踐相結(jié)合。同時，課程設計也提高了我分析問題和解決問題的能力，使我對電器元件與專業(yè)知識有了更加深刻的理解，打好了日后學習電工技術(shù)課的基礎，還有，這個實驗培養(yǎng)了我與其他同學的團隊合作，共同探討，共同前進的精神，它不但培養(yǎng)了我們的動手能力，也讓我們發(fā)現(xiàn)了自身的許多不足，得以及時加以改正，不斷提高自己。在設計中使用了相關(guān)系統(tǒng)軟件對控制系統(tǒng)進行分析和建模。特別是利用SIMULINK工具箱可以便捷地對不同的控制系統(tǒng)進行仿真，通過對PID控制的仿真，可以清楚的比較不同控制方案的優(yōu)劣，對在設計控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題在計算機中進行模擬，使對系統(tǒng)的設計方案更加明確。在組建計算機控制系統(tǒng)中使用了MCGS組態(tài)軟件對我來說，這無疑是一門新的學問，既是一種挑戰(zhàn)，也使我學到了很多有使用價值的知識。最后，十分感謝指導老師的細心講解，感謝小組成員的包容，感謝學校給我們這次機會完善自己的專業(yè)技能，使我們受益良多。在日后的學習