雙容水箱液位流量串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)過程控制與儀表課程設(shè)計(jì)說明書目錄1.設(shè)計(jì)題目22.設(shè)計(jì)任務(wù)23.設(shè)計(jì)任務(wù)分析24.設(shè)計(jì)內(nèi)容55.設(shè)計(jì)總結(jié)136.參考文獻(xiàn)1414雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)任務(wù)如圖1所示的兩個(gè)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(dòng)，作為擾動(dòng)量存在。試針對該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)液位流量串級控制方案。圖1 系統(tǒng)示意圖3.設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建模基本方法有機(jī)理法建模和測試法建模兩種，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；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模一

2、般較機(jī)理法建模簡單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(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：下水箱液位；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)。檢測對象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位傳感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量傳感器）?？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(yùn)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(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將水箱2液位信號經(jīng)水位檢測器

3、送至控制器（PID），控制器將實(shí)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(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)對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)水箱2有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到水箱2，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而是控制器響應(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)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，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(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測水箱1流量，將流量信號傳至副控制器，然后直

4、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：圖2 單回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖雙容水箱單閉環(huán)實(shí)施方案圖如下圖：圖3 雙容水箱單閉環(huán)實(shí)施方案圖在無干擾情況下，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：圖4 雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖雙容水箱液位流量串級系統(tǒng)實(shí)施方案圖如圖：圖4 雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)施框圖4.設(shè)計(jì)內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計(jì)MATLAB

5、仿真框圖如下（無干擾）：先對控制對象進(jìn)行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10:1.圖5 單回路PID控制（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0，比例帶為較大值，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(shí)，階躍響應(yīng)如下圖：圖6 系統(tǒng)衰減10:1階躍響應(yīng)圖經(jīng)觀測，此時(shí)衰減比近似10:1，周期Ts=34s，K=40（c）根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到PID參數(shù)：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PI

6、D整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：圖7 PID整定參數(shù)圖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：圖8 控制變量法改變P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。（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：圖9 控制變量法改變D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(dòng)態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。（c）保持

7、P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著D參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，衰減率增大，震蕩頻率增大?，F(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：圖10 加入干擾后仿真圖階躍響應(yīng)曲線如下：圖11 干擾時(shí)階躍響應(yīng)圖觀察以上曲線，并與無干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時(shí)，很難穩(wěn)定下來，出現(xiàn)了長時(shí)間的小幅震蕩，由此可見，單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級控制。2） 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主控制器的選擇：主被控變量（液位）是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無余差，

8、所以主控制器應(yīng)選用PI控制規(guī)律副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高控制質(zhì)量，可以允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有一定的余差，因此副控制器可以采用P控制規(guī)律，因?yàn)橹饕獮榱颂岣唔憫?yīng)速度。在工程實(shí)踐中，串及控制系統(tǒng)常用的整定的方法有以下三種:逐步逼近法，兩步整定法，一步整定法。本設(shè)計(jì)采用一步整定法一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副控制器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，具體的方法是：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)純?yōu)楸壤饔玫那闆r下，根據(jù)K02/2=0.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或

9、按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副回路調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，（3）改變給定值，觀察被控量的相應(yīng)曲線，根據(jù)主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K1和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。（4）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)T1，就可得到改善對于該溫度串級控制系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)，主、副控制器的增益可以相互匹配，根據(jù)下表，可以大致確定副控制器比例帶和增益Kc2。副控制器對象溫度壓力流量液位比例帶2060307040802080增益Kc21.75.01.43.01.252.51.255.0根據(jù)題目要求先選擇

10、Kc2=3.5然后在副回路已經(jīng)閉合的情況下按單回路控制器參數(shù)整定方法整定主控制器，本方案采用10：1衰減曲線法整定，衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動(dòng)觀察輸出響應(yīng)衰減過程，直道10：1衰減過程為止，這是的比例度為10：1衰減比例度用s表示，相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS，根據(jù)s和TS，再由下表的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出調(diào)節(jié)器的預(yù)整定的參數(shù)值。衰減率整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律 TiTd0.75PsPI1.2s0.5TsPID1.8s0.3 Ts0.1 Ts0.9PsPI1.2s2 TsPID1.8s1.2 Ts0.4 Ts系統(tǒng)的MATLAB仿

11、真框圖如下（有噪聲）：圖12 有噪聲時(shí)仿真框圖當(dāng)無噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：圖13 無噪聲時(shí)階躍響應(yīng)圖比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。現(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P、I條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：P=20 I=1 時(shí) 圖14 有噪聲時(shí)階躍響應(yīng)圖P=45 I=2 圖15 不同參數(shù)的階躍響應(yīng)圖觀察以上曲線可知，當(dāng)副回路控制器，調(diào)節(jié)時(shí)間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)了，在干擾作用下，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小?？梢匀〉昧钊藵M意的控制效果。5.設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)

12、特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識(shí)?；菊莆樟撕唵蜗到y(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個(gè)參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。通過仿真驗(yàn)證了串級控制對干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學(xué)習(xí)會(huì)有所幫助。從設(shè)計(jì)內(nèi)容來講，或許學(xué)習(xí)的僅僅是過程控制，學(xué)習(xí)的僅僅是MATLAB的操作，但設(shè)計(jì)過程中，從設(shè)計(jì)思想，到研究方法，再到結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學(xué)習(xí)研究能力，這也許更重要。再有，之前學(xué)習(xí)的都是課本知識(shí)，只是學(xué)習(xí)給你一個(gè)系統(tǒng)然后怎么分析，而課程設(shè)計(jì)則是一個(gè)綜合過程，需要分析系統(tǒng)性能要求，同時(shí)也要考慮實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程，在做的過程中我就遇到了疑惑，就是在副回路的取哪的流量構(gòu)成閉環(huán)，不知是在水箱1,2間還是在水箱1之前的管道取流量，為此我問了兩個(gè)老師，才終于知道了，就算我們分析系統(tǒng)時(shí)還有一定的能力，可是動(dòng)手能力還是比較欠缺的?，F(xiàn)在就快要參加工作了，那就是實(shí)干，所以通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我對之前學(xué)的知識(shí)能運(yùn)用到實(shí)際工作中，雖然遇到了問題，但通過老