双容水箱液位流量串级控制系统设计.doc

目录 1.设计题目 2 2.设计任务 2 3.设计任务分析 2 4.设计内容 5 5.设计总结 13 6.参考文献 14 双容水箱液位控制系统设计 1.设计题目 双容水箱液位控制系统设计 2.设计任务 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 3.设计任务分析 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q； 被控量：下水箱液位； 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)。 检测对象特性： Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位传感器）； Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量传感器）。 控制器：PID； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声。 为保持水箱2液位的稳定，设计中采用闭环系统，将水箱2液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当水箱2有干扰时，此干扰经过控制通路传递到水箱2，会有很大的延迟，进而是控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测水箱1流量，将流量信号传至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 图2 单回路闭环系统框图 双容水箱单闭环实施方案图如下图： 图3 双容水箱单闭环实施方案图 在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。 然后，加入副回路、副控制器，在有无干扰的情况下，比较单回路控制、串级控制系统性能的变化，串级控制系统框图如下： 图4 双闭环系统框图 双容水箱液位流量串级系统实施方案图如图： 图4 双闭环系统实施框图 4.设计内容 1）单回路PID控制的设计 MATLAB仿真框图如下（无干扰）： 先对控制对象进行PID参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为10:1. 图5 单回路PID控制 （a）将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数Td调为0，比例带δ为较大值，即MATLAB中K为较小值。 （b）待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为10:1时，阶跃响应如下图： 图6 系统衰减10:1阶跃响应图 经观测，此时衰减比近似10:1，周期Ts=34s，K=40 （c）根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID参数：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PID整定参数得到阶跃响应曲线如下： 图7 PID整定参数图 观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。 现用控制变量法，分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。 （a）保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下： 图8 控制变量法改变P 比较不同P参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着K的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。 （b）保持P、D参数为定值，改变I参数，阶跃响应曲线如下： 图9 控制变量法改变D 比较不同I参数值下系统阶跃响应曲线可知，有I调节则无余差，而且随着Ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。 （c）保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下： 比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，震荡频率增大。 现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下： 图10 加入干扰后仿真图 阶跃响应曲线如下： 图11 干扰时阶跃响应图 观察以上曲线，并与