雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計

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1、雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計◆設(shè)計題目雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計◆設(shè)計任務(wù)如圖1所示的兩個大容量水箱。要求水箱2水位穩(wěn)定在一定高度，水流量經(jīng)常波動，作為擾動量存在。試針對該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計一個液位流量串級控制方案。圖1系統(tǒng)示意圖◆設(shè)計要求1）已知主被控對象（水箱2水位）傳遞函數(shù)W1=1/(100s+1),副被控對象（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)，針對該水箱工作過程設(shè)計單回路PID調(diào)節(jié)器，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，并給出

2、PID參數(shù)整定的方法與結(jié)果；3）假設(shè)流量傳感器傳遞函數(shù)為Gm2=1/(0.1s+1)，針對該水箱工作過程設(shè)計液位/流量串級控制系統(tǒng)，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，并給出主、副控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)整定方法及結(jié)果；4）在進口水管流量出現(xiàn)階躍擾動的情況下，分別對單回路PID控制與串級控制進行仿真試驗結(jié)果比較，并說明原因?！粼O(shè)計任務(wù)分析一、系統(tǒng)建模系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C理法建模和測試法建模兩種建模方法。機理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實際發(fā)生的變化機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型測試法一般只用于

3、建立輸入—輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。它的特點是把研究的工業(yè)過程視為一個黑匣子，完全從外特性上測試和描述它的動態(tài)性質(zhì)。對于本設(shè)計而言，由于雙容水箱的各個環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型已知，故采用機理法建模。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；主被控對象（水箱2水位）傳遞函數(shù)W1=1/(100s+1),副被控對象（流量）傳遞函數(shù)W2=1/(10s+1)。控制對象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（水箱1傳遞函數(shù)）；Gm2（S）=1/

4、（0.1S+1）（水箱2傳遞函數(shù)）。控制器：PID；執(zhí)行器：流量控制閥門；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。為保持水箱2液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將水箱2液位信號經(jīng)液位傳感器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)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(dāng)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(shè)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

5、用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)水箱1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，進而是控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，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(fù)反饋，檢測上水箱液位，將液位信號傳至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設(shè)計中，首先進行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：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

6、統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無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，在有無干擾的情況下，比較單回路控制、串級控制系統(tǒng)性能的變化，串級控制系統(tǒng)框圖如下：◆設(shè)計內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：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.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0，比例帶δ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

7、，階躍響應(yīng)如下圖：經(jīng)觀測，此時衰減比近似10:1，周期Tr=34s，K=36C、根據(jù)衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數(shù)：K1=36*5/4=45,Ti=1.2Ts=40.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.025），Td=0.4Ts=13.6s使用以上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?，F(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：K1=50

8、,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)則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減