雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對(duì)下水箱液位施加干擾。試設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。1圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖1圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖設(shè)計(jì)要求已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：GP1(s)GP1(s)二AH(s) 1AU(s)125s+1Q(、AH(s)AH(s) 1p2 AQ(s)AH(s)20s+121要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)系統(tǒng)在有、無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真(假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn)10s后施加的均值為0、方差為的白噪聲)；針對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)控制系統(tǒng)在有、無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真，其中PID參數(shù)的整定要求寫出整定的依據(jù)(選擇何種整定方法，P、I、D各參數(shù)整定的依據(jù)如何)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述；針對(duì)該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述。設(shè)計(jì)任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測(cè)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(cè)試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測(cè)試法建模一般較機(jī)理法建模簡(jiǎn)單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象。對(duì)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)理建模法。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；控制對(duì)象特性：G(s)二竺02二—(上水箱傳遞函數(shù))；pi AU(s)5s+11G(s)=AH(1=竺凹二—J(下水箱傳遞函數(shù))。p2 AQ(s)AH(s)20s+121控制器：PID；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)行10s后，施加均值為0、方差為的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送至控制器（PID）,控制器將實(shí)際水位和設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號(hào)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(duì)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(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象控制通道相對(duì)較長(zhǎng)，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)上水箱有干擾時(shí)，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(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(wú)論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無(wú)法得到滿意的效果。考慮到串級(jí)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(cè)上水箱液位，將液位信號(hào)送至副控制器，然后直接作用于控制閥，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：可發(fā)現(xiàn)，在無(wú)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(duì)系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無(wú)干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。前饋-然后，加入前饋控制，在有干擾的情況下，比較單回路控制、前饋-反饋控制系統(tǒng)性能的變化，前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如下：干憂系統(tǒng)實(shí)施方案圖如下:設(shè)計(jì)內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計(jì)MATLAB仿真框圖如下（無(wú)干擾）:

先對(duì)控制對(duì)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。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)為零，比例帶§為較大值，即MATLAB中K為較小值。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:參數(shù)：，Ti=無(wú)窮大，TD=0經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)衰減比近似10：1,周期Ts=14s,根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公式，得到PID參數(shù)，，取12；（注，MATLAB中）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下,

1.5參數(shù)：Kl=12,,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。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：參數(shù)：K1=16,，

參數(shù)：Kl=20,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。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：參數(shù)：K1=12，Ti=10,參數(shù)：Kl=12,Ti=l,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(wú)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。保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下:參數(shù)：K1=12,，

參數(shù)：Kl=12,,比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大?，F(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如Band-LimitedTranspmrt'■A'hiteNoissDelayFID2]/口: 3 r ?LStepikFIDController7ransferFcnRecipe下:階躍響應(yīng)曲線如下:

參數(shù)：Kl=12,,觀察以上曲線，并和無(wú)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(zhǎng)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(jí)控制。2）串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：當(dāng)無(wú)噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示:1A1.H-1.21I 1i 1II ii 0L— 0.80.60.40.2□〔■■■■ r■■■ ■ ■■■■■■■■■■■■ii■■■■■■■■■■■aii■■■■■■■■■■■i■■■■■■■■■■■■l■■■■■■■■■■■ml] 10 20 30 40 50 6參數(shù)：Kl=12,,,比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知，串級(jí)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?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：參數(shù)：K1=12,,，

1.4參數(shù)：Kl=12,,,參數(shù)：K1=12,,,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，當(dāng)增益相同時(shí)，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。設(shè)計(jì)總結(jié)1）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(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)。2）基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，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)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。3）通過仿真驗(yàn)證了串級(jí)控制對(duì)干擾的強(qiáng)烈抑制能