雙容水箱液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、二。-一二O二學(xué)年第一學(xué)期信息科學(xué)與工程學(xué)院自動(dòng)化系課程設(shè)計(jì)報(bào)告書姓名：王芬學(xué)號(hào)：200801145036班級(jí)：自動(dòng)化0805課程名稱：過(guò)程控制與集散系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：程磊2011年12月5日雙容水箱液位流量用級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位流量用級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、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)液位流量審級(jí)控制方案。自來(lái)水流出圖1系統(tǒng)示意圖三、設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建模基本方法有機(jī)理法建模和測(cè)試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn) 過(guò)程的機(jī)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(xué)描述的

2、情況；測(cè)試 法建模是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的實(shí)際情況對(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測(cè)試法建 模一般較機(jī)理法建模簡(jiǎn)單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言， 由于雙容水箱的數(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：下水箱液位；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。檢測(cè)對(duì)象特性：Gm1 (S ) =1/ (0.1S+1)(液位傳感器)；Gm2 (S ) =1/ (0.1S+1)(流量傳感器)?？刂破鳎篜ID ;執(zhí)行器：控制閥;干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行 10s后

3、，施加均值為0、方差為0.01的 白噪聲。為保持水箱2液位的穩(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)水位檢 測(cè)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2有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過(guò)控制通路傳遞到水箱 2,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

4、得到滿意的效果?？紤]到審級(jí)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(fù)反饋，檢測(cè)水箱1流量，將流量信號(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：雙容水箱單閉環(huán)實(shí)施方案圖如下圖在無(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、副控制器，在有無(wú)干擾的情況下，比較單回路控制、用級(jí) 控制系統(tǒng)性能的變化，用級(jí)控制系統(tǒng)框圖如下：雙容水箱液位流量用級(jí)系統(tǒng)實(shí)施方案圖如圖四、

5、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)控制又t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.A、將積分時(shí)間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0,微分時(shí)間常數(shù)Td調(diào)為0,比例帶6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(yīng)，系統(tǒng)衰減比為 10:1時(shí)，階躍響應(yīng)如下圖:經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)衰減比近似10:1,周期Ts=34s, K=40C、根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到PID參數(shù)：K1=40*5/4=50,取50;Ti=1.2Ts=68s （注：MATLAB 中 I=1/Ti=0.01） , Td=0.4Ts=27.2s使用以上

6、PID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。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(yīng)曲線如下: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：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，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下:比較不同D參

7、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，考慮審級(jí)控制。2）審級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主控制器的選擇：主被控變量（液位）是工藝操作的 主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)余差，所以主控制器應(yīng)選用PI控制規(guī)律副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，

8、 提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有一定的余差，因此副控制器可 以采用P控制規(guī)律，因?yàn)橹饕獮榱颂岣唔憫?yīng)速度在工程實(shí)踐中，用及控制系統(tǒng)常用的整定的方法有以下三種：逐步逼近法，兩 步整定法，一步整定法。本設(shè)計(jì)采用一步整定法一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副控制器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的 一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，具體的方法 是：(1)在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)純?yōu)楸壤饔玫那闆r下，根據(jù) K02/6 2=0.腦一關(guān)系 式，通過(guò)副過(guò)程放大系數(shù) K02,求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù) 6減按經(jīng)驗(yàn)選取， 并將其設(shè)置在副回路調(diào)節(jié)器上。(2)按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整

9、定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，(3)改變給定值，觀察被控量的相應(yīng)曲線，根據(jù)主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。(4)如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度6或增大積分時(shí)間常數(shù)T1,就可得到改善對(duì)于該溫度審級(jí)控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配，根據(jù)下表，可以大致確定副控制器比例帶和增益 Kc2副控制器對(duì)象溫度壓力流量液位比例帶20-6030-7040-8020-80增益Kc21.77,014-3.01,25-2,51.255,0根據(jù)題目要求先選擇Kc2=3.5然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方

10、法整定主控制器，本方案采用 10: 1衰減曲線法整定，衰減曲線法是在 閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍 擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)衰減過(guò)程，直道10: 1衰減過(guò)程為止，這是的比例度為10: 1衰減比例度用6表示，相鄰兩波峰間的距離稱為10: 1衰減周期TS , 根據(jù)6#口 TS,再由下表的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器的預(yù)整定的參數(shù)值衰減率調(diào)節(jié)、 規(guī)律 011Td0.75P6 s'PI1.29 sPID1.86 s0.3 TsOJ Ts0.9Pfi sPI1,26 s2TsPID1.86 s1.2Ts04 Ts系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：當(dāng)無(wú)噪聲

11、時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示:比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知，用級(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、I條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：P=20 I=1P=45 I=2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，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小。 可以取得令人滿意的控制效果。五、設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡(jiǎn)單系統(tǒng)特性的一般 方法，并對(duì)系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對(duì)象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識(shí)。 基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對(duì)PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個(gè) 參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，很多內(nèi)容印象非常 深刻。通過(guò)仿真驗(yàn)證了審級(jí)控制對(duì)干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過(guò)程中也熟悉了控制 系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對(duì)以后的學(xué)習(xí)會(huì)有所幫助。從設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)講，或許學(xué)習(xí)的僅僅是過(guò)程控制，學(xué)習(xí)的僅僅是 MATLAB的操作，但設(shè)計(jì)過(guò)程 中，從設(shè)計(jì)思想，到研究方法，再到結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學(xué)習(xí)研究能力，這也 許更重要。再有，之前學(xué)習(xí)的都是課本知識(shí)，只是學(xué)習(xí)給你一個(gè)系統(tǒng)然后怎么分 析，而課程設(shè)計(jì)則是一個(gè)綜合過(guò)程，需要分析系統(tǒng)性能要求，同時(shí)也要考慮實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程，在