雙容水箱液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_圖文

1、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(duì)該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)液位流量串級(jí)控制方案。 水箱2圖1 系統(tǒng)示意圖1已知主被控對(duì)象(水箱2水位傳遞函數(shù)W1=1/(100s+1, 副被控對(duì)象(流量傳遞函數(shù)W2=1/(10s+1。2假設(shè)液位傳感器傳遞函數(shù)為Gm1=1/(0.1s+1,針對(duì)該水箱工作過(guò)程設(shè)計(jì)單回路PID調(diào)節(jié)器,要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖,并給出PID參數(shù)整定的方法與結(jié)果;3假設(shè)流量傳感器傳遞函數(shù)為Gm2=1/(0.1s+1,針對(duì)該水箱工作過(guò)程設(shè)計(jì)液位/流量串級(jí)控制系統(tǒng),要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖,并給出主、副控制器的結(jié)

2、構(gòu)、參數(shù)整定方法及結(jié)果;4在進(jìn)口水管流量出現(xiàn)階躍擾動(dòng)的情況下,分別對(duì)單回路PID控制與串級(jí)控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)結(jié)果比較,并說(shuō)明原因。3. 設(shè)計(jì)任務(wù)分析(1液位控制系統(tǒng)是以改變進(jìn)水大小作為控制手段,目的是控制下水箱液位處于一個(gè)穩(wěn)定值。(2單回路控制系統(tǒng):對(duì)于此系統(tǒng),若采用單回路控制系統(tǒng)控制液位,以液位主控制信號(hào)反饋到控制器PID,直接去控制進(jìn)水閥門開(kāi)度,在無(wú)擾動(dòng)情況下可以采用,但對(duì)于有擾動(dòng)情況,由于控制過(guò)程的延遲,會(huì)導(dǎo)致控制不及時(shí),造成超調(diào)量變大,穩(wěn)定性下降,控制系統(tǒng)很難獲得滿意效果 (3串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套回路,其中內(nèi)回路起粗調(diào)作用,外回路用來(lái)完成細(xì)調(diào)作用。對(duì)液位控制系統(tǒng),內(nèi)回路以流量作為前導(dǎo)信號(hào)

3、控制進(jìn)水閥開(kāi)度,在有擾動(dòng)情況下可以提早反應(yīng)消除擾動(dòng)引起的波動(dòng),從而使主控對(duì)象不受干擾,另外內(nèi)回路的給定值受外回路控制器的影響,根據(jù)改變更改給定值,從而保證負(fù)荷擾動(dòng)時(shí),仍能使系統(tǒng)滿足要求 1(T s G2(T s G -主副控制器的傳遞函數(shù) (u s G -控制閥的傳遞函數(shù)(z s G -執(zhí)行器的傳遞函數(shù) 12(m m s s GG -主副變送器傳遞函數(shù)01(s G02(s G -主副對(duì)象的傳遞函數(shù)4.單回路PID 控制的設(shè)計(jì)(1無(wú)干擾下的單回路PID 仿真方框圖 PID整定與仿真曲線,采用衰減曲線法,整定依據(jù)是純比例下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),取衰減比為4:1。設(shè)置積分時(shí)間Ti=,微風(fēng)時(shí)間Td=0,改變比例

4、帶,找出最佳整定曲線,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出,Ti,Td的數(shù)值衰減曲線法整定計(jì)算公式(4:1情況下 Kp=33時(shí),衰減比接近9:1 不符合 Kp=38時(shí)衰減比接近8:1,不符 Kp=42時(shí)衰減比接近6:1,不符 Kp=44時(shí)衰減比接近4:1符合。測(cè)得Ts=30s ,=44*5/4=55,Ti=0.3Ts=9s, Td=0.1Ts=3s(2干擾下的單回路PID仿真方框圖 Kp=38時(shí)曲線不穩(wěn)定 Kp=42時(shí)曲線不穩(wěn)定 Kp=42時(shí)曲線不穩(wěn)定單回路系統(tǒng)分析:在單回路中,無(wú)干擾情況下系統(tǒng)可以趨于穩(wěn)定,但當(dāng)加入干擾后,由仿真曲線可知,系統(tǒng)很難穩(wěn)定,出現(xiàn)了小幅震蕩過(guò)程。由此考慮串級(jí)控制。(1無(wú)干擾下的串級(jí)控制

5、仿真方框圖 在串級(jí)控制系統(tǒng)中,主回路是定值控制系統(tǒng),為了主變量的穩(wěn)定通常采用PI 控制器,而副控制器是隨動(dòng)系統(tǒng),采用P 控制器就可以滿足要求。在調(diào)整過(guò)程中采用一步法即可無(wú)干擾下仿真曲線 Kt1=44,Ti =10,Td=2,Kt2=2 Kt1=44,Ti =10,Td=2,Kt2=4與單閉環(huán)比較可知,串級(jí)控制操作周期可以縮短,過(guò)渡時(shí)間也相對(duì)縮短了,而且系統(tǒng)更加穩(wěn)定(2干擾下的串級(jí)控制仿真方框圖 干擾下仿真曲線 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

6、,Kt2=2串級(jí)系統(tǒng)分析:比較上面的曲線,當(dāng)加大Kt2時(shí),調(diào)節(jié)時(shí)間縮短,控制作用更加及時(shí)響應(yīng)速度更快,當(dāng)加大Kt1時(shí),系統(tǒng)超調(diào)量加大。根據(jù)單回路與串級(jí)控制的曲線相比,可以得出串級(jí)控制操作周期短,過(guò)渡時(shí)間小,控制品質(zhì)更加良好,對(duì)流量帶來(lái)的擾動(dòng)抑制作用更加及時(shí)有效,系統(tǒng)穩(wěn)定性更高,抗干擾能力更強(qiáng),最大偏差更小通過(guò)這次課程設(shè)計(jì),讓我學(xué)到了許多知識(shí),例如系統(tǒng)建模的一般步驟,掌握了分析簡(jiǎn)單系統(tǒng)特性的一般方法,并對(duì)系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對(duì)象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識(shí),鞏固了課本上的很多內(nèi)容,使得在課程學(xué)習(xí)的過(guò)程中一些相關(guān)的掌握不全面的知識(shí)有了進(jìn)一步的了解,對(duì)于相關(guān)的公式和方法有了更新的理解和認(rèn)識(shí)。此次的設(shè)計(jì),基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法和串級(jí)控制的整定,對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式仿真過(guò)程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法。另外這次設(shè)計(jì)使我對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)以及其在工業(yè)過(guò)程上的廣泛的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。單回路控制用在被控量不經(jīng)常波動(dòng)的情況下,而串級(jí)控制恰好相反。PID整定的關(guān)鍵是選取Kp,Ti 及TD,參數(shù)的選擇對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能有很大的影響。另外,對(duì)PID整定中衰減曲線法,我能夠很熟練進(jìn)行運(yùn)用。另一方