双容水箱液位串级控制系统课程设计

双容水箱液位串联控制系统课程设计1 .设计主题双容水箱液位串联控制系统设计2 .设计任务图1所示的双容器液位系统分别从泵1、2通过旁路1、2向容器注水，在旁路1中设置调节阀，为了保持容器液位恒定，旁路2通过变换器对容器液位产生干扰。 设计串行水平的控制系统，试着将下水箱的液面水平维持一定。图1双容罐液位控制系统示意图3 .设计要求1 )众所周知，上下水箱的传递函数分别如下你知道吗？要求描绘双容器液位系统的框图，仿真系统的有无、无干扰的动态过程(假设干扰为在逐步加载10s后所施加的平均值为0、方差为0.01的白噪声)。2 )对双容罐液位系统设计的单电路控制，要求绘制控制系统的方框图来模拟控制系统有无干扰下的动态过程，其中PID参数调整或调整的依据(选择哪种调整方法，PID各参数调整的依据如何3 )对该受干扰液位系统设计串级控制方案，要求描绘控制系统的框图和实施方案，仿真控制系统的动态过程，并评述仿真结果。4 .设计任务分析系统建模的基本方法有机械法建模和测试法建模两种，机械法建模主要是生产过程的机理充分把握，数学描述比较准确的情况测试法建模是根据工业过程的实际情况对输入输出进行数学处理的本设计中，由于已知双油箱的数学模型，因此采用了机构建模法。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量q被控制量：下容器液位受控属性：(上油箱传递函数)(下油箱传递函数)。控制器： PID执行机构：控制阀干扰信号：以系统单位的步骤运行10s后，施加平均值为0、方差值为0.01的白噪声为了保持污水水平的稳定，设计采用闭环系统，将污水水平信号通过水位检测器发送给控制器(PID )，控制器将实际水位与设定值进行比较，使输出信号作用于驱动器(控制阀)，改变流量调节水位。 对象为单罐时，通过不断调整PID参数，单环路控制系统在理论上取得较好的效果，系统也具有良好的抗噪能力。 该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道较长，采用单闭环控制系统时，当上水箱存在干扰时，该干扰通过控制通道传递给下水箱，存在大幅延迟，控制器的响应延迟，影响控制效果，实际生产中频繁出现干扰串行控制在早期发现主要干扰，早期控制，向内圈导入负反馈，检测油箱的液面水平，向副控制器发送液面水平的信号，使其直接作用于控制阀，可以得到较高的控制效果。在设计中，首先进行单环闭环系统的建模，系统框图如下无噪声时，调整主控制器的PID参数，调整参数后，分别变更p、I、d参数，可以观察各参数的变化对系统性能的影响，接着加入噪声(白噪声)，有无噪声的2种情况其次，在加上前馈控制而有噪声的情况下，比较单电路控制、前馈-反馈控制系统性能的变化，前馈-反馈控制系统的方框图如下系统的实现图如下所示5 .设计内容1 )单环路PID控制的设计MATLAB仿真框图如下(无干扰)01首先对控制对象进行PID参数调整，这里采用衰减曲线法，衰减比为10:1。a .将积分时间Ti调整为最大值，即在MATLAB中I参数为0、微分时间常数TD为0、比例带大的值，即在MATLAB中k小的值。b .在系统稳定后，进行阶跃响应，如果系统衰减比为10:1，阶跃响应如下图所示参数： K1=9.8、Ti=无限大、TD=0根据观测，此时衰减比约为10:1，周期Ts=14s，K=9.8c .通过衰减曲线法整定计算式，得到PID参数： K1=9.8*5/4=12.25，取12，得到Ti=1.2Ts=16.8s (注：在MATLAB中I=1/ti=0. 06 )，TD=0.4ts=5.6s .使用以上PID整定参数得到的阶跃响应曲线如下所示参数： K1=12，Ti=16.8，TD=5.6从以上曲线可以看出，经过参数调整，系统的性能得到了大幅改善。现用控制变量法分别改变p、I、d参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。保持a.i，d参数恒定，改变p参数，步进响应曲线如下参数： K1=16，Ti=16.8，TD=5.6参数： K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比较具有不同p参数值的系统步进响应曲线时，随着k增大，最大动态偏差增大，残差减小，衰减率减小，振荡频率增大。保持b.p，d参数恒定，改变I参数，步进响应曲线如下参数： K1=12，Ti=10，TD=5.6参数： K1=12，Ti=1，TD=5.6将不同I参数值下的系统步进响应曲线进行比较，发现有I调节则无馀量，且随着Ti减小而最大动态偏差变大，衰减率变小，振荡频率变大。保持c.p，I参数恒定，改变d参数，阶跃响应曲线如下参数： K1=12，Ti=16.8，TD=8.6参数： K1=12，Ti=16.8，TD=11.6将不同的d参数值与系统步进响应曲线进行比较时，随着d参数增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。现在对控制系统加以干扰，检查系统的干扰能力。 系统的仿真框图如下所示阶跃响应曲线如下所示参数： K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线，与没有噪声时的系统框图相比，系统的稳定性显着降低，在噪声作用下不易稳定，出现长时间的短时间振动，因此单环路控制系统在发生噪声时难以维持系统的稳定性能，并且进行串行电平控制2 )串行控制系统的设计系统的MATLAB模拟框图如下所示(有噪声)如果没有噪声，系统的步进响应如下图所示参数： K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3比较了单环控制系统的无干扰阶跃响应，系列控制降低了最大偏差，减少了振荡频率，大大缩短了调节时间。当前给系统加噪声，观察不同p条件下的系统步进响应曲线参数： K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5参数： K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0参数： K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5观察以上曲线，可以看出在子环路控制器的情况下，调节时间缩短，系统快速性提高，在噪声的影响下，当增益相同时，系统的稳定性更高，系统的抗噪声性提高，最大偏差更小。 可以得到令人满意的控制效果。6 .设计总结1 )通过本次设计，学习了系统建模的一般程序，掌握了分析简单系统特性的一般方法，更直观地认识了系统中控制器、驱动器、控制对象等各个部分。2 )通过基本掌握简单系统模型的PID参数调整方法，更深入地认识PID调节器中p、I、d各参数的功能、特性，并通过实验进行验证的方式，多种内容令人印象深刻。3 )通过仿真验证串行控制对干扰的强抑制能力，相信在仿真