雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)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(shè)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(duì)下水箱液位施加干擾。試設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3.設(shè)計(jì)要求1）已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：，。要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)系統(tǒng)在有、無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn)10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；2）

2、針對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)控制系統(tǒng)在有、無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述；3）針對(duì)該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述。4.設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(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)描述的情況；測(cè)試法建模是根據(jù)工

3、業(yè)過程的實(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(duì)象特性：（上水箱傳遞函數(shù)）；（下水箱傳遞函數(shù)）?？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，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(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(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

4、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)上水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(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)法得到滿意的效果。考慮到串級(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)上水箱液

5、位，將液位信號(hào)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(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、副控制器，再有干擾的情況下，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：系統(tǒng)實(shí)施方案圖如下：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)控制對(duì)象進(jìn)行PI

6、D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)為零，比例帶δ為較大值，即MATLAB中K為較小值。A.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：參數(shù)：K1=9.8，Ti=無(wú)窮大，TD=0經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)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(jì)算公式，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=0.4

7、Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)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?，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：參數(shù)：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6參數(shù)：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6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。A．保持P、D參數(shù)

8、為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=10，TD=5.6參數(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(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。A．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：參數(shù)：K1=12，T