單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、分類號(hào)分類號(hào) 密級(jí)密級(jí) UDC 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作業(yè) 單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)生姓名 xxxxxxxxxxxx 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào) xxxxxxxxxxxx任課教師任課教師 xxxxxxxx 院、系、中心院、系、中心 工程學(xué)院自動(dòng)化及測(cè)控系工程學(xué)院自動(dòng)化及測(cè)控系專業(yè)年級(jí)專業(yè)年級(jí) xxxx 級(jí)自動(dòng)化級(jí)自動(dòng)化 提交日期提交日期 2013 年年 10 月月 日日 中中 國國 海海 洋洋 大大 學(xué)學(xué)文檔歷史文檔歷史序號(hào)說明編制人版本號(hào)編制日期1文檔創(chuàng)建xxWord20072013.10.222水箱建模xxWord20072013.11.103P、I 設(shè)計(jì)及仿真xxWord20072

2、013.11.154PI、PID 設(shè)計(jì)及仿真xxWord20102013.11.235單閉環(huán)修改xxWord20132013.12.16串級(jí)設(shè)計(jì)及仿真xxWord20132013.12.117串級(jí)設(shè)計(jì)及仿真xxWord20132013.12.258串級(jí)修改xxWord20132013.12.279前饋設(shè)計(jì)及仿真xxWord20132013.12.2810實(shí)驗(yàn)報(bào)告xxWord20132013.12.2911實(shí)驗(yàn)報(bào)告xxWord20132013.12.3012總結(jié)、摘要及參考文獻(xiàn)xxWord20132013.12.30摘 要 I單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘摘 要要本論文以單容水箱為被控對(duì)象，給出了單

3、閉環(huán)控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制。本論文還針對(duì)每種控制系統(tǒng)，在 Matlab 的 Simulink 中建立仿真模型進(jìn)行仿真，得到仿真曲線，并且利用仿真曲線分析控制系統(tǒng)的性能，例如最大動(dòng)態(tài)偏差、調(diào)節(jié)時(shí)間、衰減率和積分性能指標(biāo)IAE 等。單閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括 P、I、PI 和 PID 的設(shè)計(jì)。本文分別通過衰減頻率特性法（理論整定法）和衰減曲線法（工程整定法）對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行了整定。本論文還通過比較各控制系統(tǒng)的仿真曲線和系統(tǒng)性能指標(biāo)，對(duì)各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)串級(jí)控制和前饋反饋控制可提高系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： PIDPID；串級(jí)；前饋反

4、饋；參數(shù)整定；串級(jí)；前饋反饋；參數(shù)整定；SimulinkSimulinkAbstract IIDesign on Water Level Control in a Tank AbstractThis thesis provides design methods of single closed-loop control system, cascade control system and feed forward control system about the controlled object a single water tank , and it achieves the goal o

5、f controlling level. For every kind of control system, simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance of control system, such as the maximum percent overshoot, settling time, attenuation rate and IAE. The design of single closed-loop c

6、ontrol system includes designs of P, I, PI and PID. The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All the control design methods included are compared by simulation curves and performance indexes and we finally find that cascade control and fe

7、ed forward control are able to improve systems performance.Keywords: PID；Cascade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；Simulink目 錄 目 錄摘摘 要要.IABSTRACT.II1設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容.12單容水箱系統(tǒng)建模單容水箱系統(tǒng)建模 .33單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).53.1比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).53.2積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).73.3比例-積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).93.4比例-積分-微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).124串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì).165前饋

8、控制方案設(shè)計(jì)前饋控制方案設(shè)計(jì).186實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告.196.1壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn).196.2液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn).206.3上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn).226.4前饋反饋控制實(shí)驗(yàn).247總結(jié)總結(jié).26參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).27附錄附錄.28單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容圖 1 單容水箱液位控制系統(tǒng)單容水箱液位控制系統(tǒng)如題圖 1 所示。已知 F=1000cm2，R=0.03s/cm2。調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，其靜態(tài)增益，液位變送器靜態(tài)增益328cm /s mAvK。1mA/cmmK(1) 畫出該系統(tǒng)的傳遞方框圖；(2) 對(duì)單容水箱、調(diào)節(jié)閥、液位變送器進(jìn)行建模，理解 F、R

9、、Kv、Km 的物理意義和量綱的關(guān)系。(3) 采用單閉環(huán)控制，分別設(shè)計(jì) P、I、PI、PID 調(diào)節(jié)器，定義性能指標(biāo)，對(duì)控制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。(定義哪些性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)？)(4) 對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行整定，工程的方法和理論的方法；(5) 設(shè)計(jì)串級(jí)和前饋控制系統(tǒng)，分析性能，并和單閉環(huán)進(jìn)行對(duì)比。(6) 結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。說明：1)仿真工具采用 Matlab2)本設(shè)計(jì)持續(xù)一個(gè)學(xué)期，答案不唯一，大家可以相互討論，但每個(gè)人都要做設(shè)計(jì)。3)在整個(gè)學(xué)期中，不定期的上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的電子版。電子版命名方法為：學(xué)號(hào)+姓名.rar單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2內(nèi)分 2 個(gè)目錄：document 用于存放文檔；simulat

10、ion 用于存放仿真文件；每次提交的時(shí)候，將整個(gè)文件夾壓縮后電子郵件至 .單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)32單容水箱系統(tǒng)建模單容水箱系統(tǒng)建模單容水箱系統(tǒng)的傳遞方框圖如所示Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gms)uQi(s)H(s)R(s)Y(s)E(s)Qd(s)+Q(s)圖 2 單容水箱系統(tǒng)的傳遞方框圖在任何時(shí)刻水位的變化均滿足物料平衡方程5 1()idodHQQQdtF 1dHQdtF其中 iQk oHQRF 為水槽的橫截面積，F(xiàn)=1000cm2；為決定于閥門特性的系數(shù)，可以假定它k是常數(shù)；是與負(fù)載閥的開度有關(guān)的系數(shù)，在固定不變的開度下，可視為常數(shù)，RRR=0.03s/cm2；為調(diào)節(jié)閥開度，控制水流入

11、量，由控制器 LC 控制；Kv 為閥門iQ靜態(tài)增益，即當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，閥門的增益，由于閥門為氣關(guān)式，所以 Kv 為“” ，即，可將閥門看成一個(gè)靜態(tài)增益為的一階慣性環(huán)節(jié)；液328cm /s mAvK vK位變送器靜態(tài)增益 Km 為儀表的輸出范圍/儀表的輸入范圍，假設(shè)液位變送器為線性儀表，則其可看成是一增益為 的比例環(huán)節(jié)；為擾動(dòng)，其值可根據(jù)1mA/cmmKdQ具體情況而定。假設(shè)擾動(dòng)為常值，在起始的穩(wěn)定平衡工況下，平衡方程式（2-1）變?yōu)閐Q00010()idoQQQF(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4式（2-5）減式（2-1）得1()iod HQQdtF式（

12、2-6）就是動(dòng)態(tài)平衡方程式（1-1）的增量形式?？紤]水位只在其穩(wěn)態(tài)值附近的小范圍內(nèi)變化，故可得以下近似012oQHR H于是式（2-6）可化為011()2id HQHdtFR H如果各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起算點(diǎn)，則可去掉上市中的增量符號(hào)，得011()2idHQHdtFR HLaplace 變換得：011( )( )2isH sQH sFR H假設(shè)液位的初始值為，代入數(shù)據(jù)得單容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型016Hcm11( )( )10002*0.03* 16isH sQH s被控對(duì)象傳遞函數(shù)為( )0.3( )( )3001pH sGsQ ss假設(shè)調(diào)節(jié)閥為一階慣性環(huán)節(jié)，于是得單容水箱系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框

13、圖Gc(s)uQi(s)H(s)R(s)Y(s)E(s)Qd(s)+Q(s)1vvKT s0.33001smK圖 3 單容水箱系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖(2-6)(2-7)(2-8)(2-10)(2-11)(2-9)(2-12)單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)53單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)328cm /s*mA1mA/cm 1svmvKKT ，假設(shè)3.1比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 4 比例控制仿真圖（1） 、理論整定方法：廣義被控對(duì)象為8.4( )( )( )( )(1)(3001)pvpmGsG s Gs Gsss令，根據(jù)頻率特性法5整定控制器的參數(shù)得0.2210.75ssm，s(m ,)1(

14、m ,)ppsspsK M 則由式(3-1)解得，再由，可得到理論整定值。s1(,)ppssKMmpK（2） 、工程整定方法：采用衰減曲線法5調(diào)整參數(shù)，令，得系統(tǒng)衰減振蕩曲線0.75(3-1)單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6圖 5 系統(tǒng)衰減振蕩曲線 P=-200由系統(tǒng)衰減振蕩曲線得21211624.0481=18.061610.74380.751615.082.322.76s2000.005sppyyyyTKK ，由衰減曲線法參數(shù)整定公式可整定得到比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間IT的整定值，結(jié)果如表 1 所示：DT表 1 衰減曲線法參數(shù)整定計(jì)算表衰減率整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律ITDTP-0.005PI-0.0061

15、.380.75PID-0.0040.8280.276（3） 、性能指標(biāo)：在 t=15s，加入擾動(dòng)，得到仿真曲線如附圖 1 所示。將波形數(shù)據(jù)35000cmdQ 通過“To Workspace”輸出到 Matlab 工作區(qū)進(jìn)行計(jì)算，可得時(shí)，該比例0.005 控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：衰減率：0.7438最大動(dòng)態(tài)偏差：8.0481殘余偏差：-0.9018y1y1y1Ts單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)7調(diào)節(jié)時(shí)間： 6s絕對(duì)誤差積分 IAE：3.7569結(jié)論：有差控制，對(duì)小的干擾由較好的抑制作用，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。3.2積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1） 、理論整定方法：廣義被控對(duì)象為8.4(

16、)( )( )( )(1)(3001)pvpmGsG s Gs Gsss令，根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得0.2210.75ssm，(3-2)20s1(m ,)(m ,)arctan2spsspssmSMm 則由式(3-2)可解得，再由，可得到（積分速度） ，進(jìn)而s201(m ,)spssmSM0S可計(jì)算出積分時(shí)間理論整定值。01ITS（2） 、性能指標(biāo)：積分控制系統(tǒng)仿真框圖：圖 6 積分控制仿真圖 I=-1/20對(duì)積分控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定：；，得仿真曲線如下圖所示。1/ 20I 0dQ 由仿真曲線可知，積分控制最終能實(shí)現(xiàn)無靜差控制，但系統(tǒng)振蕩頻率低，超調(diào)量很大（約為 190cm） ，調(diào)節(jié)時(shí)

17、間很長(zhǎng)（約為 5000s） ，因此單獨(dú)使用積分控制，系統(tǒng)性單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8能較差。圖 7 積分控制仿真圖 I=-1/20，Qd=0在時(shí)加入擾動(dòng)，得仿真曲線：由圖可知，系統(tǒng)能抑制階5000st 35000cmdQ 躍擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無靜差控制，但超調(diào)量很大，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。圖 8 積分控制仿真圖 I=-1/20，Qd=5000cm3單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.3比例比例-積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)積分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 9PI 控制仿真框圖（1） 、理論整定方法：廣義被控對(duì)象為8.4( )( )( )( )(1)(3001)pvpmGsG s Gs Gsss令，根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得0.2210.75s

18、sm，(3-3)1201sin(,)cos(,)(m ,)(1)sin(,)(m ,)spspspsspspssSmmmMmSmM 以為參變量，和分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，式(3-3)表示的控制器整定參1S0S數(shù)之間的關(guān)系可以畫成等衰減曲線圖。圖中每條曲線代表某一規(guī)定的衰減率，等衰減曲線上的每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表控制器的一組整棟參數(shù)。選擇一組合0.75s適的、作為控制器的整定參數(shù)。1S0S（2） 、工程整定方法：衰減曲線法如表 1 得，擾動(dòng)，得仿真曲線如下0dQ 0.006,1.38sIT 單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)10圖 10PI 控制仿真曲線 P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=0可得2121

19、1623.3368=17.615010.7798165.42.43s0.006=1.38ssIyyyyTT ，（3） 、性能指標(biāo)：擾動(dòng)，35000cmdQ 0.006=1.38sIT ，圖 11PI 控制仿真曲線 P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=5000cm3對(duì)擾動(dòng)的抑制作用很差，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能消除偏差，因此加大積分的作用，減小積分時(shí)間，增大比例增益，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度IT擾動(dòng)，35000cmdQ 0.006=0.01sIT ，單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11圖 12PI 控制仿真曲線 P=-1/0.006，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由圖可知，減小了積分時(shí)間后，調(diào)節(jié)時(shí)間大

20、大縮短，大約為 15s，能在較短IT的時(shí)間內(nèi)接近穩(wěn)態(tài)值擾動(dòng)，35000cmdQ 0.003=0.01sIT ，圖 13PI 控制仿真曲線 P=-1/0.003，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由圖可知，繼續(xù)比例帶，可使調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步減小，大約為 9s，偏差減小，系統(tǒng)響應(yīng)加快。對(duì)應(yīng)擾動(dòng)，的性能指標(biāo)如下：35000cmdQ 0.003=0.01sIT ，衰減率：0.7798最大動(dòng)態(tài)偏差：7.3368單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)12殘余偏差：0調(diào)節(jié)時(shí)間： 9s絕對(duì)誤差積分 IAE：3.94983.4比例比例-積分積分-微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微分控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 14PID 控制仿真框圖（1） 、理論整定方法

21、：廣義被控對(duì)象為8.4( )( )( )( )(1)(3001)pvpmGsG s Gs Gsss令，根據(jù)頻率特性法整定控制器的參數(shù)得0.2210.75ssm， (3-4)122021sin(,)cos(,)2(m ,)1(1)sin(,)(m ,)spspsspsspspssSmmmmSMSmmSM 令，則式（3-4）由三個(gè)變量，以為參變量，和分別為橫坐/1/ 4DITT 1S0S標(biāo)和縱坐標(biāo)，式(3-4)表示的控制器整定參數(shù)之間的關(guān)系可以畫成等衰減曲線圖。圖中每條曲線代表某一規(guī)定的衰減率，等衰減曲線上的每一點(diǎn)的坐標(biāo)代表控0.75s單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)13制器的一組整定參數(shù)。選擇一組合適的、作

22、為控制器的整定參數(shù)。1S0S2S（2） 、工程整定方法：如表 1 得，得仿真曲線如下0.004,0.828s,0.276sIDTT 圖 15PID 控制仿真曲線 P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=0可得21211624.7026=18.580110.7035164.64052.22592.4146s0.004=0.828s=0.276ssIDyyyyTTT ，（3） 、性能指標(biāo)：擾動(dòng)，35000cmdQ 0.004,0.828s,0.276sIDTT 圖 16PID 控制仿真曲線 P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=5000cm

23、3單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)14同比例積分控制，比例積分微分控制對(duì)擾動(dòng)的抑制作用很差，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能消除偏差，因此加大積分的作用，減小積分時(shí)間，減小比例帶，增加微分時(shí)IT間，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度。擾動(dòng)， 35000cmdQ 0.004,0.01s,0.276sIDTT 圖 17PID 控制仿真曲線 P=-1/0.004，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由圖可知，減小了積分時(shí)間后，調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短，大約為 10s，能在較短IT的時(shí)間內(nèi)接近穩(wěn)態(tài)值。擾動(dòng)，35000cmdQ 0.001,0.01s,0.276sIDTT 圖 18PID 控制仿真曲線 P=-1/0.001，I=-1/

24、0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由圖可知，繼續(xù)比例帶，可使調(diào)節(jié)時(shí)間進(jìn)一步減小，大約為 5s，偏差減小，單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)15系統(tǒng)響應(yīng)加快。對(duì)應(yīng)擾動(dòng)，的性能指標(biāo)如下：35000cmdQ 0.001,0.01s,0.276sIDTT 衰減率：0.7035最大動(dòng)態(tài)偏差：24.7026殘余偏差：0調(diào)節(jié)時(shí)間： 5s絕對(duì)誤差積分 IAE：2.2275單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)164串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)前面的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）較長(zhǎng)，最大動(dòng)態(tài)偏差較大，單閉環(huán)控制效果不佳，而且未考慮對(duì)象的純遲延時(shí)間。采用串級(jí)控制可提高系統(tǒng)性能，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，減小最大動(dòng)態(tài)

25、偏差，減小對(duì)象純遲延時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響。下圖為串級(jí)控制系統(tǒng)仿真框圖：圖 19 串級(jí)控制仿真框圖對(duì)主副調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定：主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為；主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為1,1/0.01,2.3PID；擾動(dòng)，得串級(jí)控制系統(tǒng)仿真如下圖所示：1/1.15,1/0.11,4.3PID 0dQ 由仿真圖可知控制振蕩頻率低，衰減慢，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，最大動(dòng)態(tài)偏差大，但無靜差。單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)17圖 20 串級(jí)控制仿真曲線 Qd=0在時(shí)加入擾動(dòng)，仿真結(jié)果如下圖所示，由圖可知，系統(tǒng)160st 35000cmdQ 能已知階躍擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無靜差控制，但超調(diào)量很大，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。圖 21 串級(jí)控制仿真曲線 Qd=5000cm3

26、單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)185前饋控制方案設(shè)計(jì)前饋控制方案設(shè)計(jì)采用前饋反饋控制可在輸出發(fā)生變化時(shí)，提前做出修正，減小擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。因此前饋反饋控制可以提高系統(tǒng)性能，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，減小最大動(dòng)態(tài)偏差，減小對(duì)象純遲延時(shí)間對(duì)系統(tǒng)性能的影響。如圖為前饋反饋控制系統(tǒng)仿真方框圖：圖 22 前饋控制仿真框圖比值分別為 RATIO1=0.9，RATIO2=0.1；延遲時(shí)間；PID 控制器參數(shù)0.1s分別為；擾動(dòng)，在時(shí)加入；1/0.004,1/0.01,0.276PID 35000cmdQ 20st 流量變送器等效為增益為 1 的比例環(huán)節(jié)；設(shè)定值為 16cm，得圖仿真曲線如附圖 2所示。將前饋斷開，得仿真曲線如附

27、圖 3 所示，系統(tǒng)不穩(wěn)定。與單閉環(huán)相比，引入前饋后，在系統(tǒng)輸出發(fā)生變化之前，前饋控制提前對(duì)擾動(dòng)做出修正，減小了擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。因此，前饋控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)時(shí)間大大減?。s為2.5s） ，最大動(dòng)態(tài)偏差減?。s為 1.5cm） ，單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)196實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)室水箱實(shí)驗(yàn)報(bào)告6.1壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)壓力單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)6.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)掌握壓力單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路壓力控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì)、臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)，熟悉 PID 參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行PID 參數(shù)的自整

28、定和自動(dòng)控制的投運(yùn)。6.1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）采用階躍響應(yīng)法、臨界比例度法、衰減曲線法整定 PID 參數(shù)，并驗(yàn)證參數(shù)的有效性；（2）采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定 PID 參數(shù)，并驗(yàn)證其有效性。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下：參數(shù)說明Sn=331-5V 電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dil=0輸入下限顯示值Dih=100輸入上限顯示值Opl=4輸出 4-20mA 電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置6.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.1.4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟壓力單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖：?jiǎn)稳菟淇刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)20變頻器調(diào)節(jié)器

29、壓力變送器、水泵-圖 23 壓力單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖（1） 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將閥門 V7，V10 打開；（2） 接通總電源，各儀表電源。將 PCT-II 面板上的雙擲開關(guān)擲到外控端；（3） 整定參數(shù)值的計(jì)算值；（4） 將計(jì)算所得的 PID 參數(shù)值置于控制器中，系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。加入擾動(dòng)信號(hào)觀察各被測(cè)量的變化，直至過渡過程曲線符合要求為止；（5） 曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理。（6） 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理。6.1.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)所用調(diào)節(jié)器為 808 模糊控制器（手動(dòng)/自動(dòng)輸出） ，其給定值為 818PID控制器（手動(dòng)/自動(dòng)輸出）的

30、輸出。將 808 模糊控制器的設(shè)定值設(shè)置為某一值，再令 CtrL=2，系統(tǒng)進(jìn)入自整定狀態(tài)，幾秒鐘后，測(cè)量值穩(wěn)定在控制器的設(shè)定值上。6.2液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn)6.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)掌握液位單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路壓力控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì)、臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)，熟悉 PID 參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行PID 參數(shù)的自整定和自動(dòng)控制的投運(yùn)。6.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）采用采用階躍響應(yīng)法、臨界比例度法、衰減曲線法整定 PID 參數(shù)，并驗(yàn)證參數(shù)的有效性；（2）采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定

31、PID 參數(shù)，并驗(yàn)證其有效性。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下：參數(shù)說明單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)21DF=3回差值Sn=331-5V 電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dil=0輸入下限顯示值Dih=450輸入上限顯示值Opl=4輸出 4-20mA 電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置6.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖：調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器液位變送器水箱圖 24 液位單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖（1） 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線（2） 使水泵工作在恒壓供水狀態(tài)（3） 接通總電源和儀表電源（4） 將閥門 V2、V1

32、0、V7 打開，其余閥門關(guān)閉（5） 整定參數(shù)值的計(jì)算（6） 將計(jì)算所得的 PID 參數(shù)值置于控制器中，系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。加入擾動(dòng)信號(hào)觀察各被測(cè)量的變化，直至過渡過程曲線符合要求為止（7） 曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理（8） 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理6.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果818PID 控制器為液位單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器，808 模糊控制器為壓力單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器。液位單閉環(huán) 818PID 控制器的輸出為壓力單閉環(huán)的設(shè)定值，當(dāng)其輸出值發(fā)生變單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)22化時(shí)，相當(dāng)于給壓力單閉環(huán)一個(gè)擾動(dòng)。令 808 的 CtrL=2，在控制閥開度變化時(shí)，其測(cè)

33、量值仍能很快地跟隨其設(shè)定值。設(shè)置 818PID 控制器的 P、I、D 值，剛開始時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量較大，達(dá)到 80%左右，振蕩頻率低，調(diào)節(jié)時(shí)間很長(zhǎng)。為此，需修改 P、I、D 值，改善系統(tǒng)性能，減小比例帶 P，減小積分時(shí)間 I，增大微分時(shí)間 D。經(jīng)過多次調(diào)整，最終系統(tǒng)性能達(dá)到了較好的狀態(tài)。6.3上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn)上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn)6.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；掌握串級(jí)控制主、副回路的選擇；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)投運(yùn)方法；了解串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路和主回路擾動(dòng)的克服能力。

34、6.3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的方案（2） 設(shè)計(jì)串級(jí)控制的主、副控制器（3） 串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定（4） 抗干擾試驗(yàn)，分別將干擾加于主回路和副回路，觀察并記錄控制效果，并進(jìn)行分析（5） 對(duì)比實(shí)驗(yàn)，于單回路液位控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下：主調(diào)節(jié)器參數(shù)說明副調(diào)節(jié)器參數(shù)說明DF=3回差值DF=3回差值Sn=331-5V 電壓輸入Sn=321-5V 電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dil=0輸入下限顯示值Dil=0輸入下限顯示值Dih=450輸入上限顯示值Dih=100輸入上限顯示值Opl=4輸出 4-20mA 電流Opl=4輸出

35、4-20mA 電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無外部輸入CF=8調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許Run=2自動(dòng)調(diào)節(jié)，禁止單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)23手動(dòng)設(shè)置手動(dòng)設(shè)置6.3.3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)6.3.4 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖：流量對(duì)象水箱主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥液位變送器副調(diào)節(jié)器流量變送器流量擾動(dòng)副參數(shù)主參數(shù)主參數(shù)設(shè)定圖 25 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖（1） 選擇控制系統(tǒng)的方案，上水箱液位和主回路流量（2） 選擇主被控參數(shù)、副被控參數(shù)、打開手動(dòng)閥門 V2、V7、V10（3） 選擇主副控制器，在恒壓供水條件下工作，按事

36、先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)接線圖將實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線接好（4） 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的整定，先自整定副回路流量系統(tǒng)。待系統(tǒng)穩(wěn)定后再整定主回路液位系統(tǒng)，最后串在一起整定（5） 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，上水箱液位加個(gè)給定，觀察計(jì)算機(jī)上流量和液位的曲線的變化，并保存此曲線（6） 系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別在主副回路加個(gè)干擾信號(hào)，然后觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化6.3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)相比較，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)流量擾動(dòng)的抑制大大增強(qiáng)，使其對(duì)主參數(shù)的影響大大減小。因而串級(jí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）減少，最大動(dòng)態(tài)偏差減少?？刂菩阅芊治觯海ˋ）由于副回路的快速作用，可迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，故選用 PI 作用可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)單容水箱控制系統(tǒng)

37、設(shè)計(jì)24（B）引入副回路減小了副對(duì)象的相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度，這對(duì)克服進(jìn)入主副回路的干擾都是有利的（C）串級(jí)控制系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的魯棒性（D）副回路可按主回路的要求對(duì)副變量進(jìn)行精確的控制（E）由于該串級(jí)系統(tǒng)有較大的滯后，故可以采用 PID 作用進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)6.4前饋反饋控制實(shí)驗(yàn)前饋反饋控制實(shí)驗(yàn)6.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^設(shè)計(jì)前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的液位控制，掌握前饋反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，前饋量的選擇，控制參數(shù)的整定等方法。6.4.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)試液位和流量的動(dòng)態(tài)特性（2） 確定擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)、對(duì)象控制通道的傳遞函數(shù)（3） 用比值器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)

38、前饋、前饋反饋的控制系統(tǒng)（4） 整定前饋反饋控制系統(tǒng)參數(shù)（5） 分析簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)與前饋反饋控制系統(tǒng)控制質(zhì)量調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下：反饋調(diào)節(jié)器參數(shù)說明DF=3回差值Sn=331-5V 電壓輸入Dip=0小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dil=0輸入下限顯示值Dih=100輸入上限顯示值Opl=4輸出 4-20mA 電流CF=2調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無外部輸入Run=1自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置6.4.3 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器PCT-II 型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)256.4.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖：流量對(duì)象水箱調(diào)節(jié)器液位變送器流量變送器流量擾動(dòng)主參數(shù)調(diào)節(jié)閥比例器圖 26 前饋

39、反饋控制系統(tǒng)方框圖（1） 設(shè)計(jì)控制方案（2） 計(jì)算比值系數(shù)（3） 完成恒壓供水系統(tǒng)接線（4） 完成比值控制系統(tǒng)接線（5） 將閥門 V2、V3、V9、V10、V7 打開，其余閥門關(guān)閉（6） 接通總電源和各儀表電源（7） 調(diào)節(jié) PCT-II 面板上電位器 K1 可改變主副流量的比值，比值的范圍是0.11 倍（8） 控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，控制器的參數(shù)整定可按單回路或串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行。由于流量變化速度快，調(diào)節(jié)器不能整定出比較合理的參數(shù)，需根據(jù)曲線來人工調(diào)整（9） 系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變主回路流量的大小，觀察副回路流量的變化（10） 觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化，記錄并處理歷史曲線（11） 改變比例器的比例系數(shù)，觀察流量的變化6.4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與液位單閉環(huán)相比較，前饋反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）減少，最大動(dòng)態(tài)偏差減少。控制性能分析：A.從前饋控制的角度，由于反饋，減輕了對(duì)前饋控制模型的精度要求，并可對(duì)未作前饋補(bǔ)償?shù)母蓴_進(jìn)行校正；B從反饋的角度，前饋控制事先