双容水箱液位流量串级控制系统设计资料.doc

题目：双容水箱液位流量串级控制系统设计 一.设计任务与要求 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 图1 系统示意图 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1), 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。 2） 假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果； 3） 假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4） 在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 二. 设计任务分析 1）此控制系统是以调节阀门开度改变进水大小作为控制手段，目标是控制水箱2液位处于一个稳定高度。 2）串级控制系统：串级控制系统有两个回路，其内回路是粗调，外回路是细调。对此控制系统，内回路以流量作为信号控制进水阀开度，调节进水量，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求 --执行器的传递函数 --控制阀的传递函数 --主副变送器传递函数 --主副对象的传递函数 --主副控制器的传递函数 3)单回路控制系统：对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会使控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果 三．单回路PID控制的设计 （1）无干扰下的单回路PID仿真方框图 PID整定与仿真曲线，采用衰减曲线法，整定依据是纯比例下的实验数据，取衰减比为4:1。设置积分时间Ti=∞，微风时间Td=0，改变比例带δ，找出最佳整定曲线，根据经验公式求出δ，Ti，Td的数值 衰减曲线法整定计算公式（4:1情况下） 调节规律 比例度δ(%) 积分时间Ti(min) 微分时间Td(min) P δS PI 1.2δS 0.5TS PID 0.8δS 0.3TS 0.1TS Kp=38时衰减比接近8:1，不符合 Kp=42时衰减比接近6:1，不符合 Kp=44时衰减比接近4:1符合。测得Ts=30s ，δ=44*5/4=55，Ti=0.3Ts=9s， Td=0.1Ts=3s （2）干扰下的单回路PID仿真方框图 Kp=38时曲线不稳定 Kp=42时曲线不稳定 Kp=44时曲线不稳定 单回路系统分析：在单回路中，由仿真曲线可知，无干扰情况下，系统可以趋于稳定；但当加入干扰后，系统很难稳定。 四.串级控制的设计 （1）无干扰下的串级控制仿真方框图 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，为了主变量的稳定通常采用PI控制器，而副控制器是随动系统，采用P 控制器就可以满足要求。在调整过程中采用一步法即可 无干扰下仿真曲线 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=2 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=4 与单回路比较可知，串级控制过渡时间相对缩短了，而且系统更加稳定。 （2）干扰下的串级控制仿真方框图 干扰下仿真曲线 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=1.3 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=2 Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=4 Kt1=47，Ti =10，Td=2，Kt2=2 Kt1=50，Ti =10，Td=2，Kt2=2 串级系统分析：比较上面的曲线，当加大Kt2时，调节时间缩短，当加大Kt1时，系统超调量加大。 五.单回路和串级对流量扰动抑制作用比较 由单回路与串级控制的仿真曲线相比，可以得出串级控制过渡时间小，最大偏差小，对扰动抑制作用更加及时有效，系统稳定性更高，抗干扰能力更强。 六.设计总结 在做这次课程设计过程中，我运用了实验课上学到的知识，并且与课本中的理论知识相结合，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了深刻的认识，并且基本掌握了PID参数整定方法，对课本上的相关知识有了更深刻的理解。这次设计使我对串级控制系统的特点以及优势有了深刻的了解，与单回路控制相比，串