雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、雙容水箱液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)如圖1所示的兩個(gè)大容量水箱。要求水箱 2水位穩(wěn)定在一定高度，水流 量經(jīng)常波動(dòng)，作為擾動(dòng)量存在。試針對(duì)該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)液位流量串 級(jí)控制方案。向來(lái)水X流IP.水箱1水箱2圖1系統(tǒng)示意圖設(shè)計(jì)要求1 ）已知主被控對(duì)象（水箱 2水位）傳遞函數(shù) W1=1心OOs+1, 副被控 對(duì)象（流量）傳遞函數(shù) W2=1/（10s+1。2） 假設(shè)液位傳感器傳遞函數(shù)為 Gm1=1/（0.1s+1，針對(duì)該水箱工作過(guò) 程設(shè)計(jì)單回路PID調(diào)節(jié)器，要求畫(huà)出控制系統(tǒng)方框圖與實(shí)施方案圖，并給出 PID參數(shù)整定的方法與結(jié)果；3） 假設(shè)流量傳感器傳遞

2、函數(shù)為 Gm2=1/（0.1s+1，針對(duì)該水箱工作過(guò) 程設(shè)計(jì)液位/流量串級(jí)控制系統(tǒng)，要求畫(huà)出控制系統(tǒng)方框圖與實(shí)施方案圖，并給出主、副控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)整定方法與結(jié)果；4） 在進(jìn)口水管流量出現(xiàn)階躍擾動(dòng)的情況下，分別對(duì)單回路PID控制與 串級(jí)控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)結(jié)果比較，并說(shuō)明原因。設(shè)計(jì)任務(wù)分析一、系統(tǒng)建模系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測(cè)試法建模兩種建模方法。機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫(xiě)出各種有關(guān)的 平衡方程，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型測(cè)試法一般只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的輸入和輸 出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。它的特點(diǎn)是把研究的工業(yè)過(guò) 程視為一個(gè)黑匣子，完

3、全從外特性上測(cè)試和描述它的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，由于雙容水箱的各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機(jī) 理法建模。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：水箱 2 液位；主被控對(duì)象（水箱 2 水位）傳遞函數(shù) W1=1/（100s+1,副被控對(duì)象（流量）傳遞函數(shù) W2=1/（10s+1 ?？刂茖?duì)象特性：Gm1 （ S ） =1/ （0.1S+1 ）（水箱 1 傳遞函數(shù)）；Gm2 （ S ） =1/ （0.1S+1 ）（水箱 2 傳遞函數(shù)）?？刂破鳎?PID ；執(zhí)行器：流量控制閥門(mén)；干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲。為保持水箱2液

4、位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將水箱2液位信號(hào)經(jīng)液位傳感器送至控制器（PID ），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生 輸出信號(hào)作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對(duì)象是單水 箱時(shí)，通過(guò)不斷調(diào)整 PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效 果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象 控制通道相對(duì)較長(zhǎng)，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)水箱1有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過(guò)控制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而是控制器響應(yīng)滯后，影 響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無(wú)論如何調(diào)整PID參數(shù),都將無(wú)法得到滿(mǎn)意的效果?？紤]到串級(jí)控制可以使某些主要干擾提前被發(fā) 現(xiàn)，

5、與早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測(cè)上水箱液位，將液位信號(hào)傳至副控 制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下:在無(wú)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(duì)系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白 噪聲），比較有無(wú)干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。然后，加入副回路、畐蛀空制器，在有無(wú)干擾的情況下，比較單回路控 制、串級(jí)控制系統(tǒng)性能的變化，串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如下：設(shè)計(jì)內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計(jì)MATLAB仿真框圖如下（無(wú)干擾）：先對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10:1

6、.A、將積分時(shí)間Ti調(diào)為最大值，即 MATLAB 常數(shù)Td調(diào)為0，比例帶3為較大值，即 MATLABB、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為 下圖：經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)衰減比近似 10:1，周期Tr=34sC、根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到 PIDK1=36*5/4=45,Ti=1.2Ts=40.8s（注：MATLABTd=0.4Ts=13.6s使用以上PID中I參數(shù)為0，微分時(shí)間 中K為較小值。10:1時(shí)，階躍響應(yīng)如，K=36參數(shù)：中 l=1/Ti=0.025），整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：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?，F(xiàn)用控制變量法，分別改變 P、I、D

7、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(yīng)曲線如下：K1=50, Ti=40.8s,Td=13.6sK1=55, Ti=40.8s,Td=13.6s比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的增大，最大動(dòng)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(yīng)曲線如下：K1=45, Ti=30s,Td=13.6sK1=45, Ti=20s,Td=13.6s比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)節(jié)則無(wú)余差，而且隨著Ti的減小，最大動(dòng)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，

8、改變 D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：K1=45, Ti=40.8s,Td=16.6sK1=45, Ti=40.8s,Td=19.6s比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著D參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，衰減率增大，震蕩頻率增大?，F(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖 如下：階躍響應(yīng)曲線如下:觀察以上曲線，并與無(wú)干擾時(shí)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(shí)，很難穩(wěn)定下來(lái)，出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的小幅震蕩，由此可見(jiàn)， 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(jí) 控制。2）串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）當(dāng)無(wú)噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：K1=45,Ti=40.8s,Td=13.6s,K2=1比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知，串級(jí)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(shí)間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P條件下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：K1=45,Ti=40.8s,Td=13.6s,K2=0.5K1=45,Ti=40.8s,Td=13.6s,K2=1觀察以上曲線可知，當(dāng)副回路控制器，調(diào)節(jié)時(shí)間都有所縮短，系統(tǒng)快速 性增強(qiáng)了，在干擾作用下，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系