雙容水箱液位控制結(jié)題評(píng)測(cè)報(bào)告

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)雙容水箱系統(tǒng)結(jié)題報(bào)告學(xué)校：北京工業(yè)大學(xué)學(xué)院：電控學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：組號(hào)：第五組組員：實(shí)驗(yàn)日期：指導(dǎo)教師：目錄、課程設(shè)計(jì)任務(wù)2、被控對(duì)象的模型及分析2三、系統(tǒng)控制方案論證 5四、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計(jì)步驟6五、實(shí)驗(yàn)過(guò)程論述 8六、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析10七、總結(jié)10八、附錄11一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)1、課程設(shè)計(jì)目的1）掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與控制器設(shè)計(jì)方法。2）掌握基于MATLAB勺系統(tǒng)仿真方法掌握基于物理對(duì)象的控制系統(tǒng)的調(diào)試方法5）培養(yǎng)編制技術(shù)總結(jié)報(bào)告的能力。2、被控對(duì)象：雙容水箱系統(tǒng)3、性能指標(biāo)要求衰減率4:110:1,超調(diào)量Mp10%調(diào)節(jié)時(shí)間Ts45s,穩(wěn)態(tài)誤差 回二、被控對(duì)象

2、的模型及分析1雙容水箱的數(shù)學(xué)模型雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：進(jìn)水VQ1對(duì)于式1-6)所示的二階過(guò)程，0.32ti/t2=K/(TS+12/2*2.18)過(guò)曲線的拐點(diǎn)做一條切線，它與橫軸交于A點(diǎn)，0A即為滯后時(shí)間常數(shù)ToF圖為我們組建立的數(shù)學(xué)模型:1、選用的控制方法:2、控制方法簡(jiǎn)介PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：1 ）比例控制P）:比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出 與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。但當(dāng)僅有比 例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差2）積分控制1）:在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分 成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)

3、后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此 控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”積 分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這 樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出 增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的 穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。比例 +積分（PI控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn) 態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。3）微分控制D）:在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分 即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì) 出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是因?yàn)榇嬖谟休^大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑

4、制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作 用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。詭節(jié)規(guī) 律優(yōu)點(diǎn) A脫用P靈敏、簡(jiǎn)單，只有存在靜差負(fù)荷變化不顯著.工藝拾 標(biāo)要求不高的對(duì)象.PI能消除靜羞.又控 制靈敏對(duì)于滯后較大的對(duì) 象.例枳分調(diào)節(jié)成 慢.效杲不奸.應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容屋滯岳 較小、負(fù)霜變化不大、稱 度要求高的調(diào)節(jié)義統(tǒng)。例 如，流罐調(diào)節(jié)緊統(tǒng)増逬調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)逐步逼近法是先副后主，逐步逼近具體步驟為：先斷開(kāi)主回路，整定副控制器。后閉合主回路，整定主控制器。重新調(diào)整副控制器參數(shù)。若未達(dá)到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)。以上3、4步驟循環(huán)進(jìn)行，直到滿足控制指

5、標(biāo)為止。對(duì)于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指 標(biāo)要求，逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多 仿真及PID參數(shù)調(diào)節(jié)：1.04v副回路整定參數(shù)：P: 35 也就是我前面所陳述的傳函的測(cè)試與建立，以及我們組所選擇的串級(jí)控制系統(tǒng)和 PID整定方法）此階段我們組完成的還算比較順利，雖然不能保證所得傳函一 定百分百準(zhǔn)確，但PID參數(shù)的調(diào)試及仿真結(jié)果還算比較令人滿意。最后便進(jìn)入到了實(shí)時(shí)控制階段。當(dāng)我們天真的以為仿真調(diào)參過(guò)后已經(jīng)接近的差距。當(dāng)成功的時(shí)候，實(shí)時(shí)控制的結(jié)果告訴我們，理想和現(xiàn)實(shí)果然還有一定 我們搭好模型并采用我一們仿真所調(diào)試的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試后驚奇并失望的發(fā) 僅響應(yīng)曲線不對(duì)，連液位都無(wú)法穩(wěn)定。

6、一陣挫敗感過(guò)后，實(shí)驗(yàn)依然得繼 們便進(jìn)入了新一輪的調(diào)參活動(dòng)中，最終 主回路 用比例積分控制們隨意給o1給定2cm主水箱以加水的方式引入擾動(dòng)E當(dāng)我們隨意給續(xù)K技術(shù)指標(biāo)：Mp=0 Ts=75s Ess=0 加擾動(dòng)后：Mp=0 Ts=65s Ess=0 2給定4cm技術(shù)指標(biāo)：Mp= 7.5%Ts=110s主水箱以加大閥門開(kāi)度的形式引入擾動(dòng)加擾動(dòng)后： Mp= 6.25% Ts=75s六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：從圖中可以看出，在我們隨意給定 2cm 和 4cm 以及加入適當(dāng)擾動(dòng) 后，系統(tǒng)依然能恢復(fù)穩(wěn)定并保證無(wú)靜差且響應(yīng)曲線較好，但因?yàn)楦到y(tǒng)參數(shù) 后時(shí)間緊迫使得在選擇 PID 參數(shù)時(shí)不夠精確，導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)

7、間未能達(dá)到小于 45 秒。分析：縱觀我們組整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及最后響應(yīng)曲線的呈現(xiàn)，我總結(jié)出以下幾個(gè) 問(wèn)題： 1）仿真的階躍響應(yīng)曲線與實(shí)際曲線之間存在一定的差別。仿真處于理想狀態(tài)，而實(shí)際是不可能處于理想狀態(tài)的，系統(tǒng)受到了個(gè)個(gè)方面的 干擾，其次，我組在計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候采用了大量的近似計(jì)算，所以這也有 可能造成了仿真與實(shí)際系統(tǒng)之間的誤差。2）實(shí)際液位與示波器顯示的差別 這個(gè)問(wèn)題是我們組在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)遇到的。剛開(kāi)始我們以為是儀器壞了，可 后來(lái)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，結(jié)果有兩方面原因： 1 從頭開(kāi)始我們組的萬(wàn)用表就是壞的 2.因 為變送器的跳變使得水箱的線性關(guān)系并沒(méi)有那么準(zhǔn)確。 以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最

8、好WinXP顯示設(shè)備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文2.上位機(jī)程序適用于 MATLAB6.5版本MATLAB控制產(chǎn)品集支持控制設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，可以用于不同的領(lǐng)域，如過(guò)程 仿真與控制、汽車、航空航天、計(jì)算機(jī)和通訊等領(lǐng)域。使用MATLAB高級(jí)編程語(yǔ)言，能使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析更加方便，編程者只需花很短的時(shí)間就可以開(kāi)發(fā)出控制算法復(fù) 雜、繪圖功能強(qiáng)大的程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、方程和結(jié)果的顯示。注：實(shí)驗(yàn)程序處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不能強(qiáng)制對(duì)界面進(jìn)行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯(cuò)誤。二、上位機(jī)軟件的使用說(shuō)明1、仿真部分使用說(shuō)明1.1 雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。仿真過(guò)程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi) 容

9、，修改仿真窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要 選擇存盤。1.2 當(dāng)達(dá)到仿真結(jié)束時(shí)間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時(shí)，可通過(guò)同時(shí)修改仿 真參數(shù)和示波器參數(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)的修改方法：按住 Ctrl+E 鍵，在彈出的窗口中修改 Stop time 的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開(kāi)的示波器窗口中點(diǎn)擊 Parameters 圖標(biāo)，在 彈出的窗口中修改 Time range 的參數(shù)。修改完成后，示波器的 Time range 值必須大于或等 于仿真參數(shù)的 Stop time 值。1.3 示波器的 Y 軸顯示范圍的修改可通過(guò)右擊示波器窗口，選擇Axes Propertie

10、s 項(xiàng)，在彈出的窗口中修改 Y-min 和 Y-max 的值。1.4 每次參數(shù)更新后，需點(diǎn)擊 Start Simulation 圖標(biāo)進(jìn)行仿真，這樣才能看到新的結(jié)果 實(shí)現(xiàn)的。 RTW 是 MATLAB 圖 形建模和仿真環(huán)境 Simulink 的一個(gè)重要的補(bǔ)充功能模塊，它是一個(gè)基于 Simulink 的代碼自 動(dòng)生成環(huán)境，能直接從 Simulink 模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個(gè)性化的代碼，并根據(jù)目 標(biāo)配置自動(dòng)生成多種環(huán)境下的程序。3.1 在進(jìn)行控制理論的 MA TLAB 仿真與控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行需要 MATLAB6.5 的支 持。用戶在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)安裝好該軟件并對(duì)其工作環(huán)境及相關(guān)編程工作較為熟悉。

11、3.2打開(kāi)MATLAB6.5軟件，查看 MATLAB的當(dāng)前工作路徑 即Current Directory所顯示 的路徑），并將提供給用戶的光盤控制程序不是文件夾）拷貝到 MATLAB 當(dāng)前工作路徑中。3.3 利用產(chǎn)品所附帶的采集卡驅(qū)動(dòng)光盤，安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。3.4打開(kāi)研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡自帶的測(cè)試程序，測(cè)試采集卡的模擬量輸入、輸出 通道是否正常。注：每次實(shí)驗(yàn)前都需進(jìn)行此項(xiàng)操作。3.5打開(kāi)MATLAB6.5軟件，為了配置好 MATLAB編譯器，則在命令窗口中進(jìn)行如下操 作：輸入rtwintgt -setup ”并按回車鍵，然后輸入y”；輸入“ mex -setup”并按回車鍵，然后輸

12、入“y”，接著在編譯器的選擇中選擇“ Microsoft Visual C/C+ version 6.0 ”項(xiàng)，最后輸入“ y”。3.6在MATLAB命令行窗口中輸入 klsyxm，按回車鍵，這時(shí)彈出如圖 1所示界面。圖1實(shí)驗(yàn)主菜單3.7當(dāng)完成實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)An alog In put模塊和 An alog Output模塊進(jìn)行配置，下面將以 An alog In put模塊為例進(jìn)行說(shuō)明。雙擊An alog In put模塊，F(xiàn)CI-171DFCI-1710HGFCI-1711Block ParaAeters: Analog InPCI-1713RTWin Analog I叩ut (m

13、ask) (ink)R mH ime Windcmis Taget malog input unri.PCI=1720PCI-1731PCI-1750Daid acquisition boardPCI-1751 Install new lioard AdvantechDelete current biFCI-1T52rCl-1753FCI-1753ErPaarto.tloc Dtric Ajci omPCI-1754FCI-1T56Cempul erBurdsB注ta. Tr：aiLslatioaPCL-1S0DPCLr-TUB1訓(xùn)nKumus&ftFCW12BliIntelli gent InsIrumentati on *Eei thley MetraEjteFati hal InitEQuanserSisithUfxe SolutionsSensorayStandard DevicesTechnology 80FCL-714FCL-722FCL-724FCL-725FCL