课程设计水箱液位控制系统毕业论文.doc

课 程 设 计 报 告设计题目：水箱液位控制系统班 级：自动化0901班学 号：20092395姓 名：郝万福指导教师：王姝 梁岩 设计时间：2012年5月7号-5月25号摘 要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满 溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制， 能收到很好的效果。 在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。通过这次课程设计加深我们对自动控制原理、过程控制系统及仪表等科目的理解。 关键词：水箱液位控制 PID参数整定 串级控制 前馈控制 MATLAB仿真目录1概述- 4 -2课程设计任务及要求- 5 -2.1 实验系统熟悉及过程建模- 5 -2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计- 5 -2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计- 6 -2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计- 6 -2.5实现副回路进水流量的前馈控制- 7 -3 实验系统熟悉及过程建模- 8 -3.1 描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。- 8 -3.1.1水箱液位控制系统的原理框图- 8 -3.1.2水箱液位控制系统的数学模型- 8 -3.2 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。- 9 -3.3 进水流量和上水箱液位模型- 11 -3.4 副回路流量与上水箱液位数学模型- 12 -3.5双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型- 14 -4 单容水箱液位的单回路控制系统设计- 16 -4.1 结构原理- 16 -4.2 单容水箱控制器PID参数整定- 17 -4.3 旁路阶跃干扰响应曲线- 19 -4.4 副回路进水阶跃干扰响应曲线- 20 -4.5 干扰频繁剧烈变化的解决办法- 20 -5.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计- 22 -6.实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计- 27 -7.实现副回路进水流量的前馈控制- 33 -8.总结- 36 -1概述本次课程设计，是让我们应用自控控制原理和过程控制理论知识来设计水箱液位控制系统。在实验过程中，我们用到了wincc软件，调节阀，传感器，PLC等原件，使得我们对于工厂的一些基础设备有了一定了解。在设计过程中，我们通过手动和自动调节使液位保持平衡，以及通过经验凑试法来调节PID参数，这使得我们对于自动控制原理和过程控制系统及仪表课本加深理解，对工业生产中的液位控制有了一定了解，同时也学以致用，不再局限于书本的知识，培养我们独立思考的能力和小组合作精神。2课程设计任务及要求2.1 实验系统熟悉及过程建模描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果。利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。要求写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。2.5实现副回路进水流量的前馈控制画出此前馈-串级复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。试求解前馈控制器的模型。采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时，控制系统达到满意的控制质量。写出前馈控制器参数的调试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。 3 实验系统熟悉及过程建模3.1 描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。3.1.1水箱液位控制系统的原理框图 水箱液位控制系统是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。 简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。液位变送器+PID控制器控制阀阀阀器液位_ 水箱图3-1 水箱液位控制系统的原理框图 这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。3.1.2水箱液位控制系统的数学模型 该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。确定过程的输入变量和输出变量 如下图所示，流入水箱的流量是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量是过程的控制输入（即操纵量），出料流量是外部扰动。本设计以进料流量作为输入变量。2L1tL()L(t)L(0)图3-2 水箱液位过程及其阶跃响应曲线3.2 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。图3-3 系统结构图模式 关闭副管道回路控制系统，利用主管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将阀的开度设置为20%，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。突然改变阀的开度，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3-4所示： 图3-4 手动模式给定阶跃响应曲线图中红线为阀开度曲线，可以看出是一个阶跃信号。粉色曲线为电磁流量曲线，通过放大可以近似为无滞后一阶惯性模型。可以假设流量变化模型为： （3.1）一阶非周期过程比较简单，只需确定放大系数及时间常数即可获得传递函数模型。确定静态放大系数：利用所测取的阶跃响应曲线估计并绘出被控量的最大稳态值，如图3-5所示，放大系数为： （3.2）确定时间常数：因为，所以响应曲线所对应的时间就是时间常数，同理响应曲线所对应的时间是2倍时间常数，即。图3-5 无滞后一阶对象的响应曲线电磁流量初始稳态值y=0.1885，给定幅值%为10%阶跃响应后重新达到稳态值y2=0.2517。 (3.3)T0时刻电磁流量值： (3.4)可以对应查找t1(63.2%)的值如下表所示表1 电磁流量T0时刻表电磁流量t0(0%)t1(63.2%)时刻04:04:1304:04:21由此可以计算出T0的值： (3.5)综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为： (3.6)3.3 进水流量和上水箱液位模型如图2黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和主管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为： (3.7)但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即，所以模型可以近似为一阶惯性模型： (3.8) 电磁流量初始稳态值h1=2.90，进水流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可以把最大值和最小值换算成100%的阶跃： (3.9)重新达到稳态值h2=13.60。可以计算出： (3.10)同时可以计算出T0时刻电磁流量值： (3.11)可以对应查找h1(63.2%)的值如下表所示：表2 上水箱液位T1时刻表上水箱液位h0(0%)h1(63.2%)时刻04:04:1304:06:53由此可以计算出T0的值： (3.12)综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为： (3.13)3.4 副回路流量与上水箱液位数学模型关闭主管道回路控制系统，利用副管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将变频器输出频率设置为30Hz，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。突然改变变频器输出为35Hz，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3所示：图3-6 副回路手动模式给定阶跃响应曲线如图3-6黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和副管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为： (3.14)但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即，所以模型可以近似为一阶惯性模型： (3.15) 电磁流量初始稳态值h(0)=2.092，副管道进水流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可以把变频器输出最大值和最小值换算成100%的阶跃 (3.16)重新达到稳态值h()=18.25。可以计算出： (3.17)同时可以计算出T2时刻电磁流量值： (3.18)可以对应查找h1(63.2%)的值如下表所示：表3 上水箱液位T2时刻表上水箱液位h0(0%)h1(63.2%)时刻10:53:0710:55:56由此可以计算出T0的值： (3.19)综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为： (3.20)3.5双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型下水箱液位高度曲线如下图绿色曲线所示：图3-7 下水箱液位高度曲线从图可以看出为S状的阶跃响应曲线若对模型精度要求较高，则应采用二阶对象的模型结构，故可以假设下水箱液位和进水流量液位之间的模型为： (3.21)式中，、的求法如下：第一， 求取过程的静态放大系数。 (3.22)第二，、可根据阶跃响应曲线上的两个点来确定，如图5所示：图3-8 S状阶跃响应曲线首先读取和所对应的时间和值，测量时刻如下表:表3 双容下水箱液位时刻表下水箱液位h0(0%)h1(40%)h1(80%)时刻04:04:1304:08:1104:12:43由此可以计算出，。然后利用下式计算、。计算，可采用下式所示的二阶环节近似，即： (3.23)此时，时间常数为： (3.24)综上所述可知双容水箱串级下水箱液位与进水流量模型为 (3.25) 在做这个实验的时候，上水箱测量值的曲线产生毛线，我们及时检查，发现可能是因为线路松动造成的，重新接线后，就解决了问题。4 单容水箱液位的单回路控制系统设计4.1 结构原理在设计过程控制系统时，如何选择控制器，以满足生产工艺要求至关重要，如果选择不当，可能根本达不到控制要求。本次课程设计通过对PID控制器参数整定，进一步熟悉了过程控制系统设计过程。单回路控制系统的控制原理图如下 图 4-1 单回路控制系统原理图根据原理图可以画出对应的系统方框图如下：液位变送器+PID控制器控制阀阀阀器液位_ 水箱图4-2单回路控制系统的控制原理方框图PID控制器是调节器，需要我们手动设置参数，其传递函数为： (4.1)调节阀为气关阀，随输入信号增大通过水流量也增大。上水箱液位控制过程之前已经建立过模型，其传递函数为： (4.2)系统由于扰动作用使被控量偏离了给定值，即产生偏差，调节器根据偏差大小并按某种控制算法发出控制信号送往调节阀，以改变阀门开度，即改变控制变量，从而克服扰动对被控量的影响，使测量值接近设定值。功能是是输出回到设定值。4.2 单容水箱控制器PID参数整定调节器参数整定，是指决定调节器的比例度、积分时间和微分时间的具体数值，通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。所谓最佳的控制效果，就是在某种质量指标下，系统达到的最佳调整状态。此时的控制器参数就是所谓的最佳整定参数。系统设计需要调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。本次课程设计中采用经验凑试法整定PID参数，达到的控制效果满足控制要求。经验凑试法（现场凑试法）是根据经验先将控制器的参数放在某一数值上，直接在闭环控制系统中通过改变设定值施加扰动，观察过渡过程曲线形状，运用、对过渡过程的影响为依据，按规定的顺序对比例度、积分时间和微分时间逐个进行反复凑试，直到获得满意的控制质量比例控制规律是最基本的控制规律。它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但存在余差。由于积分能消除余差，所以在比例的基础上加上积分控制，是效果更好，在本次试验中，微分的作用不太明显。实验操作时,需要把控制方式切换到自动模式，首先设定积分时间常数，微分时间常数，比例系数P从小到大改变以试出比较理想的控制效果。 图4-3 KP=5控制效果图4-4 KP=18控制效果如图4-3、图4-4所示为比例系数的整定过程，时达到稳定的时间太长，为使响应加快，需要增大比例作用，所以KP应该增大。当时达到稳定的时间短，超调也很小，所以认为此时比例系数比较合理。由于图4的液位高度设定值是22，而达到稳定时液位高度为21.2，存在比较大的偏差，所以需要引入积分作用。根据经验凑试法调节步骤，首先将比例度放大10%20%,取K=15不断调节TI的大小，使之达到合适的效果。 图4-5 TI=104ms图4-6 TI=7104ms 图4-7 TI=8104ms如图4-5所示，当，阶跃响应震荡过于剧烈，由此可知积分作用太强，应该减弱积分作用，所以应增大。令，递减比为7.28:1。控制效果比较好，再增大积分时间时，递减比反而增大，如图4-7所示，递减比为8.3:1。综合以上叙述可知，相对最合理。从实验效果来看可以不加微分作用就能满足要求。而实际上单容水箱滞后不明显，可以不加微分。为了加强对控制系统设计的了解，我们仍然引入了微分作用，但是改善效果作用不大。先将比例度减小10%20%，取，时间常数，调节微分作用。时效果比较好，从图4-8所示：图4-8 PID调节效果从图可以看出，引入微分起到的效果并不太理想，所以可以不加微分，只用PI调节。4.3 旁路阶跃干扰响应曲线通过PID控制器参数的整定，可以使输出稳态值达到设定值，且响应速度比较快，控制效果好。但是要评价一个系统的好坏，不能只看输出值是否能达到设定值，还要看系统是否有抗干扰能力。工业现场有很多因素会影响控制过程，我们称之为扰动。为检验系统是否有抗干扰能力，可以在控制系统达到稳态时，打开旁路干扰阀，不同开度的旁路阀可以模拟不同的阶跃扰动。图4-9 旁路阶跃扰动如图9所示，当系统达到稳态时，打开一个较小开度的旁路阀，通过PID控制器的调节，能很快抑制干扰。但是如果旁路阀开度太大，即干扰太大，超出了系统的调节范围，此时调节阀开度会降到0，水箱液位曲线呈发散状态，因此系统不能达到稳定状态。从整体效果来看，控制系统能抑制较大的干扰，而且能快速响应扰动，控制效果好。4.4 副回路进水阶跃干扰响应曲线我们都知道，环境中有很多因素会干扰控制效果，也有很多通道会出现这种干扰，不同的扰动造成的影响不同。为了进一步检验系统的抗干扰能力，我们选择打开副回路进水阀，模拟系统扰动因素对系统稳定性的影响，不同开度可以模拟不同幅值的阶跃扰动。图4-10 副回路阶跃扰动如图10所示，当系统达到稳态时，给副回路进水阀一个合适的开度，通过PID控制器的调节，能很快抑制干扰。但是如果开度太大，即干扰太大，超出了系统的调节范围，此时调节阀开度已经为0，但系统却无法重新平衡，水箱液位曲线呈发散状态。从整体效果来看，再次说明控制系统能抑制较大的干扰，而且能快速响应扰动，控制效果好。4.5 干扰频繁剧烈变化的解决办法 思考：旁路流量的频繁，剧烈变化对控制质量有着严重的影响，有什么方法可以较好的抑制这个扰动对控制质量的影响。如果干扰频繁剧烈变化，一般可以通过设计串级控制系统和前馈控制系统来解决。但是两种方法有不同的适应条件。例如可测不可控干扰无法设计串级控制系统来抑制干扰。但是可测可控的因素可以通过设计串级控制系统，快速抑制扰动。扰动一般都可以通过串级和前馈来消除。副回路进水的频繁剧烈变化对控制质量的严重影响，有什么方法可以很好的抑制其对控制质量的影响。 因为旁路流量是可以测量也可以通过调节变频器的输出来控制，如果旁路流量的频繁，剧烈变化对控制质量有着严重的影响，可以设计串级控制系统来抑制扰动对控制质量的影响。而副回路进水是可测不可控的量，所以只能设计前馈控制系统来抑制扰动对控制质量的影响。5.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 这部分由于设备以及调试慢的问题，我们是用仿真来完成的。画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。图5-1 双容水箱单回路控制系统原理图PID控制器调节阀下水箱液位控制过程液位检测变送器 -上水箱液位控制过程rey扰动1扰动2图5-2 双容水箱单回路控制系统原理图方框图采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求：在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。图5-3 双容水箱液位单回路控制系统仿真方框图 参数p的整定 图5-4 K=0.5 图5-5 K=1.5由图可知，余差太大，故需增大 这次余差减小，响应加快，K。 在总体来说，还是可取的。 图5-6 K=1.8 图5-7 k=2.5余差有所减小，响应加快 振荡加剧，超调量增加。不可取。在总体来说还是可取。从上面的图可以看出，选k=1.8比较合理。Pi调节的i整定： 图5-8 I=0.01 图5-9 I=0.006振荡剧烈，不可取，减小i。 余差减小，减小了振荡，比较可取。 图5-10 I=0.005 图5-11 I=0.003比较可取。 达到稳定时间太长，不可取。由上面的图形可知，选i=0.006比较合适。Pid的整定： 图5-12 D=1 图5-13 D=10图5-14 D=100由图可知，d的调节对系统的影响较小。在这儿取d=1。控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。 图5-15 K=1.8 ；i=0.006 ；d=1；R=0.1 图5-16 K=1.8 ；i=0.006 ；d=1；R=0.2图5-17 K=1.8 ；i=0.006 ；d=1；R=0.3由图可知，该系统具有一定的抗干扰能力。 打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。这个在matlab仿真中没法做。思考：在这种情况下，和(2)中单回路控制系统控制质量有什么变化？为什么会有这样的变化？双容水箱比单容水箱容量滞后大。容量滞后：当一个扰动出现后，由于上水箱首先要吸收（或放出）水来改变自身状态，然后才能使被调参数逐渐变化，这样被调参数开始变化后的时刻就会落后于干扰量出现的时刻，这种滞后是由于上水箱造成的惯性而产生的，故称为容量滞后。在这种情况下，你有什么办法提高控制系统的控制质量？详细说明你的想法。可以选用串级控制系统来消除容量滞后。利用串级控制系统存在二次回路的特点改善过程动态特性，提高系统工作频率。合理构造二次回路，以减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小且保证快速动作的副回路。6.实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。图6-1 水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统原理图图6-2 水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统原理方框图图6-3 水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统仿真图采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。内环调试：参数p的调节： 图6-4 k=400 图6-5 k=500后边有微小振荡，不合理。 响应迅速，很快达到稳定，比较合理。图6-6 K=550有振荡现象，故不合理。由图知应该选k=500合理。参数i的调节： 图6-7 I=1 图6-8 I=10这是一条略微向上倾斜的曲 稳定时间太长，不合理。线，故不合理。 图6-9 I=65 图6-10 I=100能快速达到稳定，余差小，比较合理。 超调量太大，不合理。由放大的图可以看出，在i=65情况下，比较合理。图6-11 给扰动r=0.3的图像不难看出系统很快就达到稳定，故pi参数的整定合理。外环调节：在内环k=500；i=65的条件下调节。参数p的调节： 图6-12 K=10 图6-13 K=16达稳定时间太长，不合理。 能快速响应，达到稳定时间短，余差小， 调量也小，比较合理。图6-14 K=25超调量太大，不合理。故选k=16合理。参数i的调节。 图6-15 I=0.2 图6-16 I=0.1超调量大，达稳定时间长，不合理。 比较合理。图6-17 I=0.05响应速度慢，不合理。由上图知，选i=0.1合理。参数d的调节： 图6-18 D=100 图6-19 D=10不合理。 比较合理。图6-20 D=1比较合理。由图可以看出d=10或1,区别不大，这儿选d=10.要求：写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。 图6-21 设定值阶跃增大时 图6-22 设定值阶跃减小时打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。图6-23 较大幅值的阶跃扰动r=1时打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。图6-24 较大幅值的阶跃扰动r=10时思考：串级控制系统对于副回路进水的频繁剧烈变化具有一定的抑制作用，还有什么方法可以更好的抑制该扰动对水箱液位的影响，使得控制质量能够进一步提高。可选用前馈反馈复合控制系统。前馈反馈复合控制系统能迅速有效地补偿扰动对整个系统的影响，并利于提高控制精度，理论上可做到完全消除扰动对系统输出的影响。若选用前馈反馈复合控制系统，前提是扰动参量是可量测和可控制的。可以在副回路扰动前加一个前馈补偿器，通过模型计算，求得该补偿器的传递函数，进而消除副回路扰动的干扰。7.实现副回路进水流量的前馈控制 （提示：和水箱（上）液位的单回路控制系统组成一个前馈-反馈复合控制系统）画出此前馈-反馈复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。图72 副回路进水流量前馈控制系统方框图图7-3 副回路进水流量的前馈控制仿真图前馈控制系统与单回路控制系统的主要差别在于产生控制作用的依据不同。前馈控制系统检测的信号是干扰，按干扰的大小和方向产生相应的控制作用。而反馈控制系统检测的信号是被控量，按照被控量与设定值的偏差大小和方向产生相应的控制作用。反馈控制系统的控制规律通常为P、PI、PD、PID等典型规律，而前馈控制器的控制规律取决于被控对象的特性，有时控制规律比较复杂。由于前馈控制系统产生控制作用的依据是干扰信号，因此前馈控制作用及时，不必等到被控量出现偏差就产生了控制作用，在理论上可以实现对干扰的完全补偿，使被控量保持在设定值上。而单回路控制系统必须在被控量出现偏差之后，控制器才对操纵量进行调节以克服干扰的影响，控制作用不及时，理论上不可能使被控量始终保持在设定值。并且，前馈控制是开环控制系统，不存在稳定性问题，而单回路控制系统是闭环控制，必须考虑它的稳定性问题，而稳定性与控制精度又是互相矛盾的，因而限制了控制精度的进一步提高。试求解前馈控制器的模型。从前馈控制系统方框图中，可以得到如下关系 （7.1） （7.2）根据不变性原理，应有，从而可知，前馈模型为 （7.3）其中，为进水流量与上水箱液位关系模型，为副回路流量与上水箱液位关系模型。带入前面求得的数学模型后，即可得到副回路流量的前馈控制器传递函数 （7.4）采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时，控制系统达到满意的控制质量。写出前馈控制器参数的调试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。反馈无前馈条件下给扰动的图形： 加前馈情况下的图形： 图7-4 K=20，i=0.06，d=1 图7-5 K=20，i=0.06，d=1 图7-6欠补偿 图7-7 过补偿8.总结 一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次水箱液位控制系统的设计，我在多方面都有所提高。通过这次水箱液位控制系统的设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次水箱液位控制系统的设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了自动控制原理和过程控制系统及仪表等课程所学的内容，掌握水箱液位控制系统设计的方法和步骤，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在课程设计的这段时间里，我也发现了自己所应该改进或是较为缺乏的部分，其一是分析问题的能力：可能是自己学习的不够扎实，实习中碰到了不少钉子，遇到问题时头脑很茫然；二是解决问题的成熟度：这也许是个性使然，再加上缺少经验的累积和历练，所以在处理设计中的问题时，容易慌慌张张这次设计也让我再次体会到书本上学习到的专业知识和实际应用起来是两个完全不同的概念，所以在现阶段的学习中，我们主要是应该去学习专业理论知识，学习掌握分析问题和解决问题的能力。在以后的工作中，把理论和实际相结合，努力实现大学所学习的理论知识。所以说，这次课程设计也是对以前所学知识的一个初审吧！对于我以后学习也真是受益菲浅。 在此感谢我们的王姝老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的榜样；老师不厌其烦的给我们答疑和给予指导。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀