水箱液位控制系統(tǒng)

1、課 程 設 計 報 告設計題目：水箱液位控制系統(tǒng)班 級：自動化0901班學 號：姓 名：郝萬福指導教師：王姝 梁巖 設計時間：2012年5月7號-5月25號摘 要在人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題, 例如居民生活用水的供應, 飲料、食品加工等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要維持合適的高度, 既不能太滿 溢出造成浪費, 也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制， 能收到很好的效果。 在這次課程設計中，我們主要是設計一個水箱液位控制系統(tǒng)，涉及到液位的動

2、態(tài)控制、控制系統(tǒng)的建模、PID 參數(shù)整定、傳感器和調(diào)節(jié)閥等一系列的知識。通過將電磁流量計和渦輪流量計分別作為主管道和副管道控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥控制水箱液位高度。首先測取被控液位高度過程的圖像，建立了主回路的進水流量和主管道流量、進水流量和水箱（上）液位高度、副回路進水流量和水箱（上）液位、雙容水箱的進水流量和水箱（下）液位之間的數(shù)學模型，從而加強了對液位控制系統(tǒng)的了解。然后，通過參數(shù)試湊法對PID參數(shù)的調(diào)試，使上述的模型能快速的達到穩(wěn)定并且超調(diào)量和余差等滿足設計要求。最后通過MATLAB仿真實驗，加深了對雙容水箱滯后過程以及串級水箱液位過程和前饋控制系統(tǒng)的理解，對工業(yè)控制工程中對控制系統(tǒng)設計過程有

3、了一定的認識。在PID參數(shù)整定過程中，我對比例控制，積分控制，微分控制的作用、效果以及調(diào)試方法有了一定了解。通過這次課程設計加深我們對自動控制原理、過程控制系統(tǒng)及儀表等科目的理解。 關(guān)鍵詞：水箱液位控制 PID參數(shù)整定 串級控制 前饋控制 MATLAB仿真目錄1概述- 4 -2課程設計任務及要求- 5 -2.1 實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模- 5 -2.2實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設計- 5 -2.3實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設計- 6 -2.4實現(xiàn)水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)設計- 6 -2.5實現(xiàn)副回路進水流量的前饋控制- 7 -3 實驗系統(tǒng)熟悉及過程

4、建模- 8 -3.1 描述實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)圖及語言描述）。- 8 -3.1.1水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖- 8 -3.1.2水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型- 8 -3.2 利用實驗建模方法建立進水流量和主管道流量之間關(guān)系的數(shù)學模型。- 9 -3.3 進水流量和上水箱液位模型- 11 -3.4 副回路流量與上水箱液位數(shù)學模型- 12 -3.5雙容水箱串聯(lián)進水流量與下水箱液位模型- 14 -4 單容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設計- 16 -4.1 結(jié)構(gòu)原理- 16 -4.2 單容水箱控制器PID參數(shù)整定- 17 -4.3 旁路階躍干擾響應曲線- 19 -4.4 副回路進水階躍干擾響應曲線- 20

5、 -4.5 干擾頻繁劇烈變化的解決辦法- 20 -5.實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設計- 22 -6.實現(xiàn)水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)設計- 27 -7.實現(xiàn)副回路進水流量的前饋控制- 33 -8.總結(jié)- 36 -1概述本次課程設計，是讓我們應用自控控制原理和過程控制理論知識來設計水箱液位控制系統(tǒng)。在實驗過程中，我們用到了wincc軟件，調(diào)節(jié)閥，傳感器，PLC等原件，使得我們對于工廠的一些基礎設備有了一定了解。在設計過程中，我們通過手動和自動調(diào)節(jié)使液位保持平衡，以及通過經(jīng)驗湊試法來調(diào)節(jié)PID參數(shù)，這使得我們對于自動控制原理和過程控制系統(tǒng)及儀表課本加深理解，對工業(yè)生

6、產(chǎn)中的液位控制有了一定了解，同時也學以致用，不再局限于書本的知識，培養(yǎng)我們獨立思考的能力和小組合作精神。2課程設計任務及要求2.1 實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模描述實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)圖及語言描述）。利用實驗建模方法建立進水流量和主管道流量之間關(guān)系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果。利用實驗建模方法建立進水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對象的階躍響應曲線（2種不同幅值的階躍擾動）利用實驗建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對象的階躍響應曲線（2種不同幅值的階躍擾動）利用實驗建模方法建立雙

7、容水箱（上下串聯(lián)）的進水流量（上水箱進水）和水箱（下）液位之間關(guān)系的數(shù)學模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對象的階躍響應曲線（2種不同幅值的階躍擾動）2.2實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設計畫出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。要求在PID參數(shù)調(diào)試過程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標），并說明你做參數(shù)進一步調(diào)整的原因，進而掌握PI

8、D控制作用對控制質(zhì)量的影響?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。打開副回路進水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。2.3實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設計畫出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設定值發(fā)

9、生階躍變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。要求在PID參數(shù)調(diào)試過程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標），并說明你做參數(shù)進一步調(diào)整的原因，進而掌握PID控制作用對控制質(zhì)量的影響?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。打開副回路進水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。2.4實現(xiàn)水箱（

10、上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)設計畫出此串級控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)主、副控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。要求寫出調(diào)試控制器參數(shù)的具體步驟。在PID參數(shù)調(diào)試過程中，記錄10組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）來說明你的調(diào)試過程，并說明你做參數(shù)進一步調(diào)整的原因。在設定值發(fā)生階躍變化（設定值階躍增大及設定值階躍減?。r，觀察并記錄控制系統(tǒng)的過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標

11、）。打開旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）；并和（1）中的控制質(zhì)量進行對比，分析并說明控制質(zhì)量變化的原因。打開副回路進水閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）；并和（1）中的控制質(zhì)量進行對比，分析并說明控制質(zhì)量變化的原因。2.5實現(xiàn)副回路進水流量的前饋控制畫出此前饋-串級復合控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。試求解前饋控制

12、器的模型。采用簡化模型代替前饋控制器，利用Matlab仿真軟件調(diào)節(jié)前饋控制器參數(shù)，使得副回路進水流量發(fā)生劇烈變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。寫出前饋控制器參數(shù)的調(diào)試步驟，記錄與其對應的6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（包括：過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標），充分反映你的參數(shù)調(diào)試過程。 3 實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模3.1 描述實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)圖及語言描述）。3.1.1水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 水箱液位控制系統(tǒng)是一個簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、以個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。

13、簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。液位變送器+PID控制器控制閥閥閥器液位_ 水箱圖3-1 水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖 這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。3.1.2水箱液位控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 該系統(tǒng)主要是自衡的非振蕩過程，即在外部階躍輸入信號作用下，過程原有的平衡狀態(tài)被破壞，并在外部信號作用下自動的非震蕩地穩(wěn)定到一個新的穩(wěn)態(tài)

14、，這一大類是在工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的過程。確定過程的輸入變量和輸出變量 如下圖所示，流入水箱的流量是由進料閥1來控制的；流出水箱的流量取決于水箱液位L和出料閥2的開度，而出料閥的開庫是隨用戶的需要而改變的。這里，液位L是被控變量（即輸出變量），進料閥1為控制系統(tǒng)中的控制閥，它所控制的進料流量是過程的控制輸入（即操縱量），出料流量是外部擾動。本設計以進料流量作為輸入變量。2L1tL()L(t)L(0)圖3-2 水箱液位過程及其階躍響應曲線3.2 利用實驗建模方法建立進水流量和主管道流量之間關(guān)系的數(shù)學模型。圖3-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模式 關(guān)閉副管道回路控制系統(tǒng)，利用主管道將系統(tǒng)工作模式切換至手動方式，控

15、制上水箱液位。首先將閥的開度設置為20%，然后通過調(diào)節(jié)上水箱進水閥和出水閥使液位保持穩(wěn)定，實現(xiàn)無擾動調(diào)節(jié)。突然改變閥的開度，模擬給定階躍變化，觀察上主管道流量變化情況。如圖3-4所示： 圖3-4 手動模式給定階躍響應曲線圖中紅線為閥開度曲線，可以看出是一個階躍信號。粉色曲線為電磁流量曲線，通過放大可以近似為無滯后一階慣性模型。可以假設流量變化模型為： （3.1）一階非周期過程比較簡單，只需確定放大系數(shù)及時間常數(shù)即可獲得傳遞函數(shù)模型。確定靜態(tài)放大系數(shù)：利用所測取的階躍響應曲線估計并繪出被控量的最大穩(wěn)態(tài)值，如圖3-5所示，放大系數(shù)為： （3.2）確定時間常數(shù)：因為，所以響應曲線所對應的時間就是時間

16、常數(shù)，同理響應曲線所對應的時間是2倍時間常數(shù)，即。圖3-5 無滯后一階對象的響應曲線電磁流量初始穩(wěn)態(tài)值y=0.1885，給定幅值%為10%階躍響應后重新達到穩(wěn)態(tài)值y2=0.2517。 (3.3)T0時刻電磁流量值： (3.4)可以對應查找t1(63.2%)的值如下表所示表1 電磁流量T0時刻表電磁流量t0(0%)t1(63.2%)時刻04:04:1304:04:21由此可以計算出T0的值： (3.5)綜上所述，得出進水流量與主管道流量之間的數(shù)學模型為： (3.6)3.3 進水流量和上水箱液位模型如圖2黃色曲線為上水箱液位高度曲線，同樣可以看出上水箱液位和主管道流量同樣滿足一階慣性環(huán)節(jié)。上水箱液

17、位和進水流量液位之間的模型為： (3.7)但是上水箱液位時間常數(shù)遠遠大于進水流量的時間常數(shù)，即，所以模型可以近似為一階慣性模型： (3.8) 電磁流量初始穩(wěn)態(tài)值h1=2.90，進水流量近似為階躍響應，計算其幅值時可以把最大值和最小值換算成100%的階躍： (3.9)重新達到穩(wěn)態(tài)值h2=13.60。可以計算出： (3.10)同時可以計算出T0時刻電磁流量值： (3.11)可以對應查找h1(63.2%)的值如下表所示：表2 上水箱液位T1時刻表上水箱液位h0(0%)h1(63.2%)時刻04:04:1304:06:53由此可以計算出T0的值： (3.12)綜上所述，得出進水流量與主管道流量之間的數(shù)

18、學模型為： (3.13)3.4 副回路流量與上水箱液位數(shù)學模型關(guān)閉主管道回路控制系統(tǒng)，利用副管道將系統(tǒng)工作模式切換至手動方式，控制上水箱液位。首先將變頻器輸出頻率設置為30Hz，然后通過調(diào)節(jié)上水箱進水閥和出水閥使液位保持穩(wěn)定，實現(xiàn)無擾動調(diào)節(jié)。突然改變變頻器輸出為35Hz，模擬給定階躍變化，觀察上主管道流量變化情況。如圖3所示：圖3-6 副回路手動模式給定階躍響應曲線如圖3-6黃色曲線為上水箱液位高度曲線，同樣可以看出上水箱液位和副管道流量同樣滿足一階慣性環(huán)節(jié)。上水箱液位和進水流量液位之間的模型為： (3.14)但是上水箱液位時間常數(shù)遠遠大于進水流量的時間常數(shù)，即，所以模型可以近似為一階慣性模型

19、： (3.15) 電磁流量初始穩(wěn)態(tài)值h(0)=2.092，副管道進水流量近似為階躍響應，計算其幅值時可以把變頻器輸出最大值和最小值換算成100%的階躍 (3.16)重新達到穩(wěn)態(tài)值h()=18.25?？梢杂嬎愠觯?(3.17)同時可以計算出T2時刻電磁流量值： (3.18)可以對應查找h1(63.2%)的值如下表所示：表3 上水箱液位T2時刻表上水箱液位h0(0%)h1(63.2%)時刻10:53:0710:55:56由此可以計算出T0的值： (3.19)綜上所述，得出進水流量與主管道流量之間的數(shù)學模型為： (3.20)3.5雙容水箱串聯(lián)進水流量與下水箱液位模型下水箱液位高度曲線如下圖綠色曲線所

20、示：圖3-7 下水箱液位高度曲線從圖可以看出為S狀的階躍響應曲線若對模型精度要求較高，則應采用二階對象的模型結(jié)構(gòu)，故可以假設下水箱液位和進水流量液位之間的模型為： (3.21)式中，、的求法如下：第一， 求取過程的靜態(tài)放大系數(shù)。 (3.22)第二，、可根據(jù)階躍響應曲線上的兩個點來確定，如圖5所示：圖3-8 S狀階躍響應曲線首先讀取和所對應的時間和值，測量時刻如下表:表3 雙容下水箱液位時刻表下水箱液位h0(0%)h1(40%)h1(80%)時刻04:04:1304:08:1104:12:43由此可以計算出，。然后利用下式計算、。計算，可采用下式所示的二階環(huán)節(jié)近似，即： (3.23)此時，時間常

21、數(shù)為： (3.24)綜上所述可知雙容水箱串級下水箱液位與進水流量模型為 (3.25) 在做這個實驗的時候，上水箱測量值的曲線產(chǎn)生毛線，我們及時檢查，發(fā)現(xiàn)可能是因為線路松動造成的，重新接線后，就解決了問題。4 單容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設計4.1 結(jié)構(gòu)原理在設計過程控制系統(tǒng)時，如何選擇控制器，以滿足生產(chǎn)工藝要求至關(guān)重要，如果選擇不當，可能根本達不到控制要求。本次課程設計通過對PID控制器參數(shù)整定，進一步熟悉了過程控制系統(tǒng)設計過程。單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖如下 圖 4-1 單回路控制系統(tǒng)原理圖根據(jù)原理圖可以畫出對應的系統(tǒng)方框圖如下：液位變送器+PID控制器控制閥閥閥器液位_ 水箱圖4-2單回路

22、控制系統(tǒng)的控制原理方框圖PID控制器是調(diào)節(jié)器，需要我們手動設置參數(shù)，其傳遞函數(shù)為： (4.1)調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，隨輸入信號增大通過水流量也增大。上水箱液位控制過程之前已經(jīng)建立過模型，其傳遞函數(shù)為： (4.2)系統(tǒng)由于擾動作用使被控量偏離了給定值，即產(chǎn)生偏差，調(diào)節(jié)器根據(jù)偏差大小并按某種控制算法發(fā)出控制信號送往調(diào)節(jié)閥，以改變閥門開度，即改變控制變量，從而克服擾動對被控量的影響，使測量值接近設定值。功能是是輸出回到設定值。4.2 單容水箱控制器PID參數(shù)整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，是指決定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間和微分時間的具體數(shù)值，通過改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其特性和過程特性相匹配，以改善系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)指標，

23、取得最佳的控制效果。所謂最佳的控制效果，就是在某種質(zhì)量指標下，系統(tǒng)達到的最佳調(diào)整狀態(tài)。此時的控制器參數(shù)就是所謂的最佳整定參數(shù)。系統(tǒng)設計需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。本次課程設計中采用經(jīng)驗湊試法整定PID參數(shù)，達到的控制效果滿足控制要求。經(jīng)驗湊試法（現(xiàn)場湊試法）是根據(jù)經(jīng)驗先將控制器的參數(shù)放在某一數(shù)值上，直接在閉環(huán)控制系統(tǒng)中通過改變設定值施加擾動，觀察過渡過程曲線形狀，運用、對過渡過程的影響為依據(jù)，按規(guī)定的順序?qū)Ρ壤?、積分時間和微分時間逐個進行反復湊試，直到獲得滿意的控制質(zhì)量比例控制規(guī)律是最基本的控制規(guī)律。它能較快地克服擾動的影響，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，但

24、存在余差。由于積分能消除余差，所以在比例的基礎上加上積分控制，是效果更好，在本次試驗中，微分的作用不太明顯。實驗操作時,需要把控制方式切換到自動模式，首先設定積分時間常數(shù)，微分時間常數(shù)，比例系數(shù)P從小到大改變以試出比較理想的控制效果。 圖4-3 KP=5控制效果圖4-4 KP=18控制效果如圖4-3、圖4-4所示為比例系數(shù)的整定過程，時達到穩(wěn)定的時間太長，為使響應加快，需要增大比例作用，所以KP應該增大。當時達到穩(wěn)定的時間短，超調(diào)也很小，所以認為此時比例系數(shù)比較合理。由于圖4的液位高度設定值是22，而達到穩(wěn)定時液位高度為21.2，存在比較大的偏差，所以需要引入積分作用。根據(jù)經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)步驟，

25、首先將比例度放大10%20%,取K=15不斷調(diào)節(jié)TI的大小，使之達到合適的效果。 圖4-5 TI=104ms圖4-6 TI=7104ms 圖4-7 TI=8104ms如圖4-5所示，當，階躍響應震蕩過于劇烈，由此可知積分作用太強，應該減弱積分作用，所以應增大。令，遞減比為7.28:1。控制效果比較好，再增大積分時間時，遞減比反而增大，如圖4-7所示，遞減比為8.3:1。綜合以上敘述可知，相對最合理。從實驗效果來看可以不加微分作用就能滿足要求。而實際上單容水箱滯后不明顯，可以不加微分。為了加強對控制系統(tǒng)設計的了解，我們?nèi)匀灰肓宋⒎肿饔茫歉纳菩Ч饔貌淮?。先將比例度減小10%20%，取，時間

26、常數(shù)，調(diào)節(jié)微分作用。時效果比較好，從圖4-8所示：圖4-8 PID調(diào)節(jié)效果從圖可以看出，引入微分起到的效果并不太理想，所以可以不加微分，只用PI調(diào)節(jié)。4.3 旁路階躍干擾響應曲線通過PID控制器參數(shù)的整定，可以使輸出穩(wěn)態(tài)值達到設定值，且響應速度比較快，控制效果好。但是要評價一個系統(tǒng)的好壞，不能只看輸出值是否能達到設定值，還要看系統(tǒng)是否有抗干擾能力。工業(yè)現(xiàn)場有很多因素會影響控制過程，我們稱之為擾動。為檢驗系統(tǒng)是否有抗干擾能力，可以在控制系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥，不同開度的旁路閥可以模擬不同的階躍擾動。圖4-9 旁路階躍擾動如圖9所示，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，打開一個較小開度的旁路閥，通過PID控

27、制器的調(diào)節(jié)，能很快抑制干擾。但是如果旁路閥開度太大，即干擾太大，超出了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，此時調(diào)節(jié)閥開度會降到0，水箱液位曲線呈發(fā)散狀態(tài)，因此系統(tǒng)不能達到穩(wěn)定狀態(tài)。從整體效果來看，控制系統(tǒng)能抑制較大的干擾，而且能快速響應擾動，控制效果好。4.4 副回路進水階躍干擾響應曲線我們都知道，環(huán)境中有很多因素會干擾控制效果，也有很多通道會出現(xiàn)這種干擾，不同的擾動造成的影響不同。為了進一步檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力，我們選擇打開副回路進水閥，模擬系統(tǒng)擾動因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，不同開度可以模擬不同幅值的階躍擾動。圖4-10 副回路階躍擾動如圖10所示，當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，給副回路進水閥一個合適的開度，通過PID控制器

28、的調(diào)節(jié)，能很快抑制干擾。但是如果開度太大，即干擾太大，超出了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍，此時調(diào)節(jié)閥開度已經(jīng)為0，但系統(tǒng)卻無法重新平衡，水箱液位曲線呈發(fā)散狀態(tài)。從整體效果來看，再次說明控制系統(tǒng)能抑制較大的干擾，而且能快速響應擾動，控制效果好。4.5 干擾頻繁劇烈變化的解決辦法 思考：旁路流量的頻繁，劇烈變化對控制質(zhì)量有著嚴重的影響，有什么方法可以較好的抑制這個擾動對控制質(zhì)量的影響。如果干擾頻繁劇烈變化，一般可以通過設計串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)來解決。但是兩種方法有不同的適應條件。例如可測不可控干擾無法設計串級控制系統(tǒng)來抑制干擾。但是可測可控的因素可以通過設計串級控制系統(tǒng)，快速抑制擾動。擾動一般都可以通過串

29、級和前饋來消除。副回路進水的頻繁劇烈變化對控制質(zhì)量的嚴重影響，有什么方法可以很好的抑制其對控制質(zhì)量的影響。 因為旁路流量是可以測量也可以通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出來控制，如果旁路流量的頻繁，劇烈變化對控制質(zhì)量有著嚴重的影響，可以設計串級控制系統(tǒng)來抑制擾動對控制質(zhì)量的影響。而副回路進水是可測不可控的量，所以只能設計前饋控制系統(tǒng)來抑制擾動對控制質(zhì)量的影響。5.實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設計 這部分由于設備以及調(diào)試慢的問題，我們是用仿真來完成的。畫出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。圖5-1

30、 雙容水箱單回路控制系統(tǒng)原理圖PID控制器調(diào)節(jié)閥下水箱液位控制過程液位檢測變送器 -上水箱液位控制過程rey擾動1擾動2圖5-2 雙容水箱單回路控制系統(tǒng)原理圖方框圖采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。要求：在PID參數(shù)調(diào)試過程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標），并說明你做參數(shù)進一步調(diào)整的原因，進而掌握PID控制作用對控制質(zhì)量的影響。圖5-3 雙容水箱液位單回路控制系統(tǒng)仿真方框圖 參數(shù)p的整定 圖5-4 K=0.5 圖5-5 K=1.5由圖可知，余差太大，故需增大 這次余差減

31、小，響應加快，K。 在總體來說，還是可取的。 圖5-6 K=1.8 圖5-7 k=2.5余差有所減小，響應加快 振蕩加劇，超調(diào)量增加。不可取。在總體來說還是可取。從上面的圖可以看出，選k=1.8比較合理。Pi調(diào)節(jié)的i整定： 圖5-8 I=0.01 圖5-9 I=0.006振蕩劇烈，不可取，減小i。 余差減小，減小了振蕩，比較可取。 圖5-10 I=0.005 圖5-11 I=0.003比較可取。 達到穩(wěn)定時間太長，不可取。由上面的圖形可知，選i=0.006比較合適。Pid的整定： 圖5-12 D=1 圖5-13 D=10圖5-14 D=100由圖可知，d的調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的影響較小。在這兒取d=1。

32、控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。 圖5-15 K=1.8 ；i=0.006 ；d=1；R=0.1 圖5-16 K=1.8 ；i=0.006 ；d=1；R=0.2圖5-17 K=1.8 ；i=0.006 ；d=1；R=0.3由圖可知，該系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力。 打開副回路進水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。這個在matlab仿真中沒法做。

33、思考：在這種情況下，和(2)中單回路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量有什么變化？為什么會有這樣的變化？雙容水箱比單容水箱容量滯后大。容量滯后：當一個擾動出現(xiàn)后，由于上水箱首先要吸收（或放出）水來改變自身狀態(tài)，然后才能使被調(diào)參數(shù)逐漸變化，這樣被調(diào)參數(shù)開始變化后的時刻就會落后于干擾量出現(xiàn)的時刻，這種滯后是由于上水箱造成的慣性而產(chǎn)生的，故稱為容量滯后。在這種情況下，你有什么辦法提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量？詳細說明你的想法?？梢赃x用串級控制系統(tǒng)來消除容量滯后。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路的特點改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率。合理構(gòu)造二次回路，以減小容量滯后對過程的影響，加快響應速度。在構(gòu)造二次回路時，應該選擇一個滯后

34、較小且保證快速動作的副回路。6.實現(xiàn)水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)設計 畫出此串級控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。圖6-1 水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)原理圖圖6-2 水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)原理方框圖圖6-3 水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)仿真圖采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)主、副控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到滿意的控制質(zhì)量。內(nèi)環(huán)調(diào)試：參數(shù)p的調(diào)節(jié)： 圖6-4 k=400 圖6-5 k=500后邊有微

35、小振蕩，不合理。 響應迅速，很快達到穩(wěn)定，比較合理。圖6-6 K=550有振蕩現(xiàn)象，故不合理。由圖知應該選k=500合理。參數(shù)i的調(diào)節(jié)： 圖6-7 I=1 圖6-8 I=10這是一條略微向上傾斜的曲 穩(wěn)定時間太長，不合理。線，故不合理。 圖6-9 I=65 圖6-10 I=100能快速達到穩(wěn)定，余差小，比較合理。 超調(diào)量太大，不合理。由放大的圖可以看出，在i=65情況下，比較合理。圖6-11 給擾動r=0.3的圖像不難看出系統(tǒng)很快就達到穩(wěn)定，故pi參數(shù)的整定合理。外環(huán)調(diào)節(jié)：在內(nèi)環(huán)k=500；i=65的條件下調(diào)節(jié)。參數(shù)p的調(diào)節(jié)： 圖6-12 K=10 圖6-13 K=16達穩(wěn)定時間太長，不合理。

36、 能快速響應，達到穩(wěn)定時間短，余差小， 調(diào)量也小，比較合理。圖6-14 K=25超調(diào)量太大，不合理。故選k=16合理。參數(shù)i的調(diào)節(jié)。 圖6-15 I=0.2 圖6-16 I=0.1超調(diào)量大，達穩(wěn)定時間長，不合理。 比較合理。圖6-17 I=0.05響應速度慢，不合理。由上圖知，選i=0.1合理。參數(shù)d的調(diào)節(jié)： 圖6-18 D=100 圖6-19 D=10不合理。 比較合理。圖6-20 D=1比較合理。由圖可以看出d=10或1,區(qū)別不大，這兒選d=10.要求：寫出調(diào)試控制器參數(shù)的具體步驟。在PID參數(shù)調(diào)試過程中，記錄10組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）來說明你的調(diào)試過程，并

37、說明你做參數(shù)進一步調(diào)整的原因。在設定值發(fā)生階躍變化（設定值階躍增大及設定值階躍減?。r，觀察并記錄控制系統(tǒng)的過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）。 圖6-21 設定值階躍增大時 圖6-22 設定值階躍減小時打開旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）；并和（1）中的控制質(zhì)量進行對比，分析并說明控制質(zhì)量變化的原因。圖6-23 較大幅值的階躍擾動r=1時打開副回路進水閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標）；并和（1）中的控制質(zhì)量進行對比，分析并說明控制質(zhì)量變化的原因。圖6-24 較大幅值的階躍擾

38、動r=10時思考：串級控制系統(tǒng)對于副回路進水的頻繁劇烈變化具有一定的抑制作用，還有什么方法可以更好的抑制該擾動對水箱液位的影響，使得控制質(zhì)量能夠進一步提高?？蛇x用前饋反饋復合控制系統(tǒng)。前饋反饋復合控制系統(tǒng)能迅速有效地補償擾動對整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度，理論上可做到完全消除擾動對系統(tǒng)輸出的影響。若選用前饋反饋復合控制系統(tǒng)，前提是擾動參量是可量測和可控制的?？梢栽诟被芈窋_動前加一個前饋補償器，通過模型計算，求得該補償器的傳遞函數(shù)，進而消除副回路擾動的干擾。7.實現(xiàn)副回路進水流量的前饋控制 （提示：和水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)組成一個前饋-反饋復合控制系統(tǒng)）畫出此前饋-反饋復合控制系統(tǒng)

39、的控制原理圖及方框圖，詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。圖72 副回路進水流量前饋控制系統(tǒng)方框圖圖7-3 副回路進水流量的前饋控制仿真圖前饋控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的主要差別在于產(chǎn)生控制作用的依據(jù)不同。前饋控制系統(tǒng)檢測的信號是干擾，按干擾的大小和方向產(chǎn)生相應的控制作用。而反饋控制系統(tǒng)檢測的信號是被控量，按照被控量與設定值的偏差大小和方向產(chǎn)生相應的控制作用。反饋控制系統(tǒng)的控制規(guī)律通常為P、PI、PD、PID等典型規(guī)律，而前饋控制器的控制規(guī)律取決于被控對象的特性，有時控制規(guī)律比較復雜。由于前饋控制系統(tǒng)產(chǎn)生控制作用的依據(jù)是干擾信號，因此前饋控制作用及時，不必等到被控量出現(xiàn)偏差就產(chǎn)生了控制作用，在理論上可以實現(xiàn)對干擾的完全補償，使被控量保持在設定值上。而單回路控制系統(tǒng)必須在被控量出現(xiàn)偏差之后，控制器才對操縱量進行調(diào)節(jié)以克服干擾的影響，控制作用不及時，理論上不可能使被