雙容液位控制系統(tǒng)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊長春大學課程設計紙共22頁第22頁長春大學課程設計說明書題目名稱院（系）電子信息工程學院專業(yè)（班級）自動化四班學生姓名指導教師李學軍起止日期2013.06.03-2013.06.14目錄1.設計題目 32.設計任務 33.設計要求 34.設計任務分析 35.設計內容 45.1雙容、多容水箱系統(tǒng)的數學建模 45.1.1雙容、多容水箱系統(tǒng)機理模型 45.1.2雙容、多容水箱系統(tǒng)模型的參數辨識 55.2雙容、多容水箱系統(tǒng)數學建模的仿真 75.2.1控制系統(tǒng)仿真環(huán)境 75.3雙容、多容水箱系統(tǒng)數學建模的參數整定 105.3.1PID控制算法的參數整定 105.4雙容、多容水箱前饋反饋控制系統(tǒng)的仿真分析 135.5運用力控組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行設計分析 165.5.1I/O點收集及表單 165.5.2創(chuàng)建實時數據庫 175.5.3制作雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面 185.5.4力控控制策略的運用 196實習心得 21參考文獻 22設計題目雙容水箱液位前饋反饋控制系統(tǒng)設計。設計任務圖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，在支路一中設置調節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設計前饋反饋控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖設計要求上下水箱高都約為16m，具體幾何尺寸不詳，需仿真實驗建模；進水量最大為16平方米/小時，調節(jié)閥前后壓差最大為3.2Mpa；進水量的擾動為主要擾動。4.設計任務分析1）要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真（假設干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運10s后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲）；2）針對雙容水箱液位系統(tǒng)設計單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真，其中PID參數的整定要求寫出整定的依據（選擇何種整定方法，P、I、D各參數整定的依據如何），對仿真結果進行評述；3）針對該受擾的液位系統(tǒng)設計前饋反饋控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進行仿真，并對仿真結果進行評述。5.設計內容1、根據流程控制自動化技術工程實訓的實驗獲得的對象廣義傳遞函數，建立Simulink仿真模型。2、建立雙容液位閉環(huán)控制系統(tǒng)及流量前饋液位反饋控制系統(tǒng)仿真模型。3、采用傳統(tǒng)的理論分析法，結合仿真實驗整定PID控制器的參數，繪制仿真結果曲線。4、采用Simulink控制系統(tǒng)設計工具箱SISODesignTool設計和優(yōu)化PID控制器的參數，繪制仿真結果曲線。5、結合工程實訓，比較實際系統(tǒng)行為與仿真結果的偏差，分析仿真結果。5.1雙容、多容水箱系統(tǒng)的數學建模5.1.1雙容、多容水箱系統(tǒng)機理模型同對單容水箱系統(tǒng)進行機理建模一樣，首先要先簡化系統(tǒng)結構，以雙容水箱系統(tǒng)為例。見圖5.1.1。QQ3閥3閥2閥1Q2h1h00Q1h2圖5.1.1雙容水箱系統(tǒng)結構 根據物料平衡關系，列出增量方程

其中，QUOTE、QUOTE為流過閥1、閥2、閥3的流量；QUOTE、QUOTE為上水箱、下水箱的液位高度；QUOTE、QUOTE為上、下水箱的液容系數；QUOTE、QUOTE為閥2、閥3的液阻。 對式（5.1）（5.2）（5.3）（5.4）聯(lián)立，進行拉氏變換，整理后得到

式中QUOTE為上水箱過程時間常數，QUOTE；QUOTE為下水箱過程時間常數，QUOTE。 另外，若上、下水箱之間的管道過長存在時延QUOTE，則此時傳遞函數多一個滯后環(huán)節(jié)，為

由此推及，若n個水箱級聯(lián)，其傳遞函數應為

式中QUOTE為總放大系數。上式為無時延過程，下式為有時延過程。5.1.2雙容、多容水箱系統(tǒng)模型的參數辨識 通過機理建?？梢缘弥嗳菟涞膫鬟f函數為

我們可以通過對單個水箱進行特性測試的方法，得到各個水箱的過程時間常數QUOTE及時延QUOTE，再由求得QUOTE、QUOTE即可。 對于本實驗的雙容水箱系統(tǒng)，還可以用兩點法確定相關參數。由于本實驗系統(tǒng)的各水箱連接管道很短，并且管徑很大，故時延很小，用兩點法更為方便、準確。 QUOTE的確定方法同（5.8）。QUOTE、QUOTE采用兩點法。 系統(tǒng)階躍相應為

利用階躍相應上兩個點的數據QUOTE和QUOTE確定QUOTE、QUOTE。不妨取QUOTE及QUOTE兩點，從下圖得出相應的QUOTE、QUOTE。OOt2t1t圖5.1.2雙容水箱階躍相應曲線 聯(lián)立方程得到近似解 通過實驗，求得該雙容系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，QUOTE，QUOTE，QUOTE，QUOTE。 由此，求得該系統(tǒng)雙容水箱系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖為R(s)U(s)R(s)U(s)圖5.1.3閉環(huán)控制框圖 至此，系統(tǒng)的模型就建立完成了。5.2雙容、多容水箱系統(tǒng)數學建模的仿真5.2.1控制系統(tǒng)仿真環(huán)境5.2.1.1MATLAB簡介 計算機仿真是對控制系統(tǒng)進行科學研究的重要手段。通過計算機仿真來對比各種控制策略和方案，優(yōu)化并確定相關參數，以獲得最佳控制效果，是多年來控制系統(tǒng)設計尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技術。 MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件，它集數值計算，矩陣運算，信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的，界面友好的用戶環(huán)境。由各個領域的專家相繼推出了MATLAB工具箱，其中主要有信號處理(signalprocessing)、控制系統(tǒng)(controlsystem)、神經網絡(neuralnetwork)、模糊邏輯(fuzzylogic)、圖像處理(imageprocessing)、小波(wavelet)等工具箱[13]。本文主要是利用了SIMULINK工具箱和M文件。5.2.1.2SIMULINK仿真環(huán)境 SIMULINK是MATLAB環(huán)境下的模擬工具，提供了很方便的圖形化功能模塊，以便連接一個模擬系統(tǒng)，簡化設計流程，減輕設計負擔。此外，SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時間模型，或者是兩者的混合。SIMULINK為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，包含有(Sink)輸出方式、(Source)輸入源、(Linear)線性環(huán)節(jié)、(Nonlinear)非線性環(huán)節(jié)、(Connectors)連接與接口、(Extra)其他環(huán)節(jié)子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊，還也可以定制和創(chuàng)建自己的模塊[13]。5.2.1.3雙容、多容水箱系統(tǒng)的仿真分析 上面討論了系統(tǒng)的建模方法并實際測得了水箱液位控制的傳遞函數。在設計控制器之前，先要對系統(tǒng)進行MATLAB仿真，得到較平滑精確的曲線，對其進行穩(wěn)定性分析，進而明確設計的方向。在此基礎上，還要分析系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能，從而明確所設計控制器期望達到的控制質量。以典型的多階系統(tǒng)——二階系統(tǒng)為例進行分析。 上面，已經求得雙容水箱液位控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 從（5.13）表達式來看，雙容水箱系統(tǒng)為具有純時延環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)。但注意到純時延環(huán)節(jié)的時間系數QUOTE，相對于QUOTE、QUOTE來說極小。因此可以將純時延環(huán)節(jié)QUOTE用一個慣性環(huán)節(jié)來等價，即用式來替代，代入式（5.13），可得到等價的開環(huán)傳遞函數：進而得到該系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數將（5.15）進行改寫，寫成零極點形式 從式（5.16）中，可以得到三個閉環(huán)極點-1.006、QUOTE和QUOTE。由于-1.006較QUOTE兩個極點而言距離虛軸較遠，大于兩個共軛極點距虛軸距離的6倍。因此該系統(tǒng)的衰減余弦項為兩個主導極QUOTE產生，所以可以進而將系統(tǒng)退變成由兩個主導極點為閉環(huán)極點的二階系統(tǒng)。根據近似的二階閉環(huán)傳遞函數，取QUOTE、QUOTE，得到系統(tǒng)的近似開環(huán)傳遞函數其階躍響應曲線如圖5.2所示。（5.13）式與（5.17）式表達的傳遞函數響應曲線誤差如圖5.3所示。圖5.2雙容水箱液位開環(huán)響應圖5.3近似傳遞函數與原傳遞函數誤差 首先，從誤差曲線看出，該近似二階系統(tǒng)完全可以準確近似地表示原傳遞函數表示的系統(tǒng)。從開環(huán)階躍曲線圖可以看出，該二階系統(tǒng)是自衡系統(tǒng)，并且是無時延系統(tǒng)，并且這與實際測得的曲線趨勢基本吻合。但系統(tǒng)的響應過程很慢，通常要很長時間才能達到平衡。 下面再看系統(tǒng)的閉環(huán)曲線。該二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為其單位階躍響應曲線如圖5.4所示圖5.4雙容水箱液位閉環(huán)響應從圖上標示可以看到該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性及動態(tài)特性的相關參數：超調量QUOTE,調節(jié)時間QUOTE,穩(wěn)態(tài)值為0.844。從測得的參數不難看出系統(tǒng)的超調量雖然偏大，動態(tài)特性勉強符合要求，但由于系統(tǒng)存在的靜差，并且誤差較大，那么在實際工業(yè)生產中就很難符合工藝要求。另外，水位上升到終值并且達到誤差小于5%的調節(jié)時間較長，即達到穩(wěn)定需要的時間較長，這在我們的設計中也是要盡量改進的。 通過對原系統(tǒng)進行分析，確定滑模便結構控制器的基本方向如下：設計后的系統(tǒng)地超調量盡可能減小；系統(tǒng)無靜差，嚴格跟蹤輸入量；調節(jié)時間盡可能縮短；在滿足上述條件前提下盡可能削弱抖震。5.3雙容、多容水箱系統(tǒng)數學建模的參數整定5.3.1PID控制算法的參數整定PID控制是比例—積分—微分控制的簡稱。在生產過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最悠久、控制性能較強的基本調節(jié)方式。PID控制原理簡單，易于整定，使用方便。因此按照PID控制性能工作的各類調節(jié)器廣泛應用于工業(yè)生產部門。另外，PID的控制性能指標對于受控對象特性的稍許變化不很敏感，能一定程度上保證調節(jié)的有效性，故PID控制仍然是最廣泛應用的基本控制方式。在PID控制算法中，控制作用由比例、積分、微分3種基本控制環(huán)節(jié)組成。這3種控制作用的特點如下：1.比例控制作用：系統(tǒng)誤差一旦產生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數Kp。缺點是對于具有自衡能力的被控對象存在靜差。加大Kp可減小靜差，但Kp過大，會導致系統(tǒng)的超調增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變差。2.積分控制作用對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質變壞，以至于導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.微分控制作用的特點通過對誤差進行微分，能感覺出誤差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應，使超調減小。缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。根據被控對象的不同，適當地調整PID參數，可以獲得比較滿意的控制效果。調節(jié)器參數整定的方法很多，但總體說來可以歸結成為兩大類：一是通過理論計算進行整定；二是工程整定方法。理論計算整定方法是依據系統(tǒng)的數學模型，采用控制理論的根軌跡法、頻率特性法等，經過理論計算確定調解器的參數值，但這種方法過分依賴數學模型，計算繁瑣，且得到的計算數據未必可以直接應用，還必須通過工程實際進行調整和修改。故理論計算整定方法只是提供理論指導，工程中很少應用。工程整定方法依靠工程經驗，直接在實驗過程中進行整定，且方法簡單、實用。 工程整定方法主要有臨界比例度法、反應曲線法和衰減曲線法。這里采用衰減曲線法進行整定。PID調解器的動作規(guī)律為或寫成式中，QUOTE為比例帶，QUOTE為積分時間常數，QUOTE為微分時間常數。 首先，先置積分時間QUOTE，微分時間QUOTE，比例帶QUOTE置較大數值，即將控制器設置為純比例環(huán)節(jié)投入運行。 然后，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，加入階躍輸入信號，觀察系統(tǒng)響應。若系統(tǒng)響應振蕩衰減太快，就減小比例帶；反之增大比例帶。如此反復直到出現衰減比為4：1的振蕩過程，記下此時的QUOTE（設為QUOTE）以及衰減振蕩周期（第一個波峰與第二個波峰之間的時間差）QUOTE的值。 最后按QUOTE，QUOTE，QUOTE整定。 按上述的方法投入運行，當QUOTE（即QUOTE）時，得到衰減比4：1的階躍響應曲線如圖5.5所示。圖5.5衰減比4：1的階躍輸出 從圖上讀出衰減振蕩周期QUOTE，進而得到整定參數為QUOTE（即QUOTE），QUOTE，QUOTE。將此參數帶入PID控制函數，得到控制器傳遞函數為搭建如圖5.6的SIMULINK方針圖進行仿真。圖5.6PID控制系統(tǒng)在小范圍內調節(jié)TiTd值，而后進行仿真得到系統(tǒng)的階躍響應圖如下：Ti=60；Td=11.342時，仿真得到系統(tǒng)的階躍響應圖。圖5.6Ti=60；Td=11.342時，仿真得到系統(tǒng)的階躍響應圖Ti=60；Td=14.342時，仿真得到系統(tǒng)的階躍響應圖。圖5.7Ti=60；Td=14.342時，仿真得到系統(tǒng)的階躍響應圖在對上面三種系統(tǒng)的階躍響應圖進行分析后，可以確定當Ti=60；Td=11.342時，所獲得的控制效果相對其他情況較好。故選擇后確定Ti=60；Td=11.342。5.4雙容、多容水箱前饋反饋控制系統(tǒng)的仿真分析基于上面章節(jié)的分析，運用Matlab的仿真功能對雙容、多容水箱前饋反饋控制系統(tǒng)進行整體的仿真分析。圖5.8前饋反饋控制系統(tǒng)的整體仿真框圖按照上面章節(jié)已經構建好的數學模型和已經整定好的各種參數，并與之對應的設置于各個模塊單元上，檢查連接好后運行系統(tǒng)，進行仿真。并且不斷調節(jié)改變前饋通道中的積分時間參數T2和微分時間參數T1。直至得到的仿真曲線效果達到設計所需的要求。不同的積分時間參數T2和微分時間參數T1，所得到的仿真曲線如下各圖所示。前饋通道時間參數T1=1；T2=1時，如圖5.9。如圖5.9T1=1；T2=1時的仿真曲線前饋通道時間參數T1=12；T2=1時，如圖5.10。如圖5.10T1=12；T2=1時的仿真曲線前饋通道時間參數T1=20；T2=10時，如圖5.11。如圖5.11T1=20；T2=10時的仿真曲線前饋通道時間參數T1=50；T2=25時，如圖5.12。如圖5.12T1=50；T2=25時的仿真曲線前饋通道時間參數T1=50；T2=20時，如圖5.13。如圖5.13T1=50；T2=20時的仿真曲線在對上面五種系統(tǒng)的階躍響應圖仿真曲線進行分析后，可以確定當T1=50；Td=20時，所獲得的控制效果相對其他情況較好。故選擇后確定T1=50；T2=20。5.5運用力控組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行設計分析5.5.1I/O點收集及表單經過初步設計，制作設計表單如下：表5-5-1總體設計方案總體設計方案類別配置情況系統(tǒng)性質直接數字控制系統(tǒng)結構IPC控制硬件PC機軟件力控Forcecontrol6.1表5-5-2力控點表在本實驗中，我們需要定義一個I/O設備，其定義過程如下：選擇“變量”——“I/O設備組態(tài)”——“力控”——“仿真驅動”——“SIMULATOR仿真器”,出現如下窗口：圖5.14（a）I/O設備定義圖5.14（b）I/O設備定義5.5.2創(chuàng)建實時數據庫在該系統(tǒng)中，我們需要創(chuàng)建一個擁有14個數據庫點的實時數據庫。數據庫點的創(chuàng)建的步驟如下；具體以sv為例。選取“工程項目”中“變量”下的“數據庫組態(tài)”雙擊單元格后進入如下界面。圖5.15sv的數據組態(tài)1相應參數設置后點擊“數據連接”項，選擇“增加”按鈕，并做如下設置。圖5.15sv的數據組態(tài)2而后完成對sv的數據組態(tài)。按照相同的方法對余下的13個點進行數據組態(tài)。5.5.3制作雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面5.5.3.1工程管理器的使用1）啟動力控的“工程管理器”；2）按“新增應用”按鈕，添加應用名，點擊“確定”按鈕，然后再點擊“開發(fā)系統(tǒng)”按鈕，進入力控的組態(tài)界面；5.5.3.2創(chuàng)建組態(tài)界面1）選擇“文件”——“新建”創(chuàng)建一個“雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面”窗口。2）打開DRAW的“工具箱”，選擇相應的PID手操器，雙擊PID手操器畫面，對其相應參數設置和數據關聯(lián)如下。圖5.16PID手操器的基本屬性設置圖5.17PID手操器的變量設置圖5.18PID手操器的參數整定得到雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面如下圖所示。圖5.19雙容液液位控制系統(tǒng)主畫面5.5.4力控控制策略的運用在力控“工程項目”中打開“工具”中的“