雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)課程設計

1、精品文檔雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)課程設計1. 設計題目雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設計2. 設計任務圖 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，在支路一中設置調(diào)節(jié)閥， 為保持下水箱液位恒定， 支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設計串級控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。第二支路引入干擾變頻泵 2第一支路泵 1圖 1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3. 設計要求1） 已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：G p1H 1 (s)2， G p2 (s)H 2 ( s)H 2 (s)1。(s)5s 1Q2 ( s)H 1 (s)20s 1U 1 (s)要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)

2、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 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） ，對仿真結果進行評述；3） 針對該受擾的液位系統(tǒng)設計串級控制方案， 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，并對仿真結果進行評述。4. 設計任務分析。1 歡迎下載精品文檔系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ?/p>

3、機理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分掌握， 并且可以比較確切的加以數(shù)學描述的情況； 測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)學處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。 對于本設計而言， 由于雙容水箱的數(shù)學模型已知， 故采用機理建模法。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制對象特性：H 1 (s)2（上水箱傳遞函數(shù)） ；G p1 (s)5sU 1 (s)1H 2 (s)H 2 (s)1（下水箱傳遞函數(shù)） 。G p 2 ( s)H 1 (s)20sQ2 (s)1控制器： P

4、ID；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號：在系統(tǒng)單位階躍給定下運行10s 后，施加均值為 0、方差為 0.01 的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設計中采用閉環(huán)系統(tǒng)， 將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器 （ PID），控制器將實際水位與設定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當對象是單水箱時， 通過不斷調(diào)整PID 參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。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， 會有很大的延遲，進而使控制器響應滯后，影響控制效果，

5、在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整 PID 參數(shù)， 都將無法得到滿意的效果。考慮到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，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，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設計中，首先進行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：可發(fā)現(xiàn)，在無干擾情況下，整定主控制器的PID 參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、 I 、D 參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩。2 歡迎下載精品文檔種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。然后，加入前饋控制，在有干擾的情況下，比較單回路控制、前饋 - 反饋控制系統(tǒng)性能的變化，

6、前饋 - 反饋控制系統(tǒng)框圖如下：系統(tǒng)實施方案圖如下：5. 設計內(nèi)容1）單回路 PID 控制的設計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：01先對控制對象進行 PID 參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10： 1。3 歡迎下載精品文檔A. 將積分時間 Ti 調(diào)為最大值， 即 MATLAB中 I 參數(shù)為 0，微分時間常數(shù) TD調(diào)為零， 比例帶為較大值，即 MATLAB中 K 為較小值。B. 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應，系統(tǒng)衰減比為10： 1 時，階躍響應如下圖：參數(shù)： K1=9.8 ， Ti= 無窮大， TD=0經(jīng)觀測，此時衰減比近似10：1，周期 Ts=14s，K=9.8C根據(jù)衰減曲線法整定計算公

7、式，得到 PID 參數(shù)： K1=9.8*5/4=12.25，取 12；Ti=1.2Ts=16.8s（注： MATLAB中 I=1/Ti=0.06）； TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID 整定參數(shù)得到階躍響應曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ， TD=5.6觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善。現(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I 、D 參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。A 保持 I 、 D 參數(shù)為定值，改變P 參數(shù)，階躍響應曲線如下：。4 歡迎下載精品文檔參數(shù)： K1=16，Ti=16.8 ， TD=5.6參數(shù)： K1=20，Ti=16.8

8、 ， TD=5.6比較不同 P 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知， 隨著 K 的增大，最大動態(tài)偏差增大， 余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。B 保持 P、 D 參數(shù)為定值，改變I 參數(shù)，階躍響應曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=10 ，TD=5.6。5 歡迎下載精品文檔參數(shù)： K1=12，Ti=1 ， TD=5.6比較不同I 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，有I 調(diào)節(jié)則無余差，而且隨著Ti 的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C 保持 P、 I 參數(shù)為定值，改變D 參數(shù)，階躍響應曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ， TD=8.6參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ，

9、TD=11.6。6 歡迎下載精品文檔比較不同 D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，而且隨著 D 參數(shù)的增大，最大動態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大?，F(xiàn) 向 控 制 系 統(tǒng) 中 加 入 干 擾 ， 以 檢 測 系 統(tǒng) 的 抗 干 擾 能 力 ， 系 統(tǒng) 的 仿 真 框 圖 如 下 ：階躍響應曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ， TD=5.6觀察以上曲線，并與無干擾時的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時，很難穩(wěn)定下來， 出現(xiàn)了長時間的小幅震蕩， 由此可見， 單回路控制系統(tǒng)， 在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級控制。2） 串級控制系統(tǒng)的設計系統(tǒng)的 MATL

10、AB仿真框圖如下（有噪聲）：。7 歡迎下載精品文檔當無噪聲時，系統(tǒng)的階躍響應如下圖所示：參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6， K2=0.3比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應可知， 串級控制降低了最大偏差， 減小了振蕩頻率， 大大縮短了調(diào)節(jié)時間。現(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P 條件下的系統(tǒng)階躍響應曲線：參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6 ，K2=0.5。8 歡迎下載精品文檔參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6 ，K2=1.0參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6 ，K2=1.5觀察以上曲線可知， 當副回路控制器，調(diào)節(jié)時間都有所縮短，

11、 系統(tǒng)快速性增強了， 在干擾作用下，當增益相同時，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小?？梢匀〉昧钊藵M意的控制效果。6. 設計總結1）通過本次設計，學會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識。2）基本掌握了簡單系統(tǒng)模型的PID 參數(shù)整定方法，對PID 調(diào)節(jié)器中的P、 I 、 D 各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認識，通過實驗驗證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。3) 通過仿真驗證了串級控制對干擾的強烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學習會有所幫助。4）從設計內(nèi)容來講，