樣板-雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設計

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1、雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設計1.設計題目雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設計2.設計任務圖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，在支路一中設置調節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設計串級控制系統(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.設計要求1）已知上下水箱的傳遞函數分別為：，。要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真（假設干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；2）針對雙容水箱液位系統(tǒng)設計單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，

2、并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真，其中PID參數的整定要求寫出整定的依據（選擇何種整定方法，P、I、D各參數整定的依據如何），對仿真結果進行評述；3）針對該受擾的液位系統(tǒng)設計串級控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進行仿真，并對仿真結果進行評述。4.設計任務分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產過程的機理已經被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數學描述的情況；測試法建模是根據工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數學處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產對象。對于本

3、設計而言，由于雙容水箱的數學模型已知，故采用機理建模法。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制對象特性：（上水箱傳遞函數）；（下水箱傳遞函數）?？刂破鳎篜ID；執(zhí)行器：控制閥；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的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設定值相比較，產生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調整PID參數，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

4、力。該設計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經過控制通路傳遞到下水箱，會有很大的延遲，進而使控制器響應滯后，影響控制效果，在實際生產中，如果干擾頻繁出現，無論如何調整PID參數，都將無法得到滿意的效果?？紤]到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現，及早控制，在內環(huán)引入負反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，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，整定好參數后，分別改變P、I、D參數，觀察各參數的變化對系統(tǒng)性能的影響；

5、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，加入前饋控制，在有干擾的情況下，比較單回路控制、前饋-反饋控制系統(tǒng)性能的變化，前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如下：系統(tǒng)實施方案圖如下：5.設計內容1）單回路PID控制的設計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：01先對控制對象進行PID參數整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10：1。A.將積分時間Ti調為最大值，即MATLAB中I參數為0，微分時間常數TD調為零，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，系統(tǒng)衰減比為10：1時，階躍響應如下圖：參數：K1=9.8，Ti=無窮大，TD=0經

6、觀測，此時衰減比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C．根據衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數：K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數得到階躍響應曲線如下：參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6觀察以上曲線可以初步看出，經參數整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善。現用控制變量法，分別改變P、I、D參數，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調節(jié)器的作用。A．保持I、D參數為定值，改變P參數，階躍響應曲線如下：參數：K1=16，Ti=16.8，TD=5.

7、6參數：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比較不同P參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，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。A．保持P、D參數為定值，改變I參數，階躍響應曲線如下：參數：K1=12，Ti=10，TD=5.6參數：K1=12，Ti=1，TD=5.6比較不同I參數值下系統(tǒng)階躍響應曲線可知，有I調節(jié)則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。A．保持P、I參數為定值，改變D參數，階躍響應曲線如下：參數：K1=