双容水箱液位流量串级控制系统设计

武汉理工大学过程控制与仪表课程设计手册目录1.设计主题22.设计任务23.设计任务分析24.设计内容55.设计总结136.参考文献1414双罐液位控制系统的设计1.设计主题双罐液位控制系统的设计2.设计任务如图1所示，有两个大容量水箱。水箱2的水位需要稳定在某一高度，并且水流经常作为扰动而波动。尝试为这种双罐系统设计液位和流量的串级控制方案。图1系统图3.设计任务分析系统建模的基本方法包括机制建模和测试建模。主要用于生产过程的机构建模已经被人们完全掌握，并且可以用数学方法来描述。测试方法建模是根据实际情况对工业过程的输入和输出进行一些数学处理而得到的。测试方法建模通常比机理方法建模简单，尤其是在一些高阶工业生产对象中。对于这种设计，由于双罐的数学模型是已知的，所以采用机理方法进行建模。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量q；控制量：下水箱液位；主控制对象传递函数W1(水箱2的水位)等于1/(100 S1)，次级受控对象(流量)的传递函数W2等于1/(10s1)。测试对象特征：Gm1(S)=1/(0.1S 1)(液位传感器)；Gm2(S)=1/(0.1S 1)(流量传感器)。控制器：仪表流程图；执行器：控制阀。干扰信号：在系统以给定的单位步长运行10秒后，施加平均值为0且方差为0.01的白噪声。为了保持水箱2的液位稳定，设计中采用了闭环系统。水箱2的液位信号通过水位检测器发送到控制器(PID)。控制器将实际水位与设定值进行比较，并产生输出信号作用于致动器(控制阀)，从而改变流量调节水位。当对象是单个水箱时，单闭环控制系统理论上可以通过不断调整PID参数达到更好的效果，并且系统也将具有更好的抗干扰能力。设计对象属于双水箱系统，整个对象的控制通道相对较长。如果采用单闭环控制系统，当水箱2中存在干扰时，干扰通过控制通道传递给水箱2，会有很大的延迟，进而延迟控制器的响应，影响控制效果。在实际生产中，如果干扰频繁发生，无论如何调整PID参数，都不会取得满意的效果。考虑到串级控制可以提前发现一些主要干扰，所以需要提前控制。负反馈被引入到内部回路中以检测水箱1的流量，并且流量信号被传送到子控制器，然后子控制器直接作用于控制阀，从而获得更好的控制效果。在设计中，首先对单回路闭环系统进行建模。系统框图如下：图2单回路闭环系统框图双储罐的单闭环实施示意图如下：图3是双水箱的单闭环实施例的示意图。在无干扰的情况下，调节主控制器的PID参数。调整参数后，分别改变P、I和D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响。然后加入干扰(白噪声)，比较有无干扰时系统稳定性的变化。然后，增加一个二次回路和一个二次控制器，比较单回路控制和串级控制系统有无干扰时的性能变化。串级控制系统框图如下：图4双闭环系统框图双罐液位和流量串级系统实施图如图所示。图4双闭环系统实现框图4.设计内容1)单回路PID控制的设计MATLAB仿真框图如下(无干扰):首先调整控制对象的PID参数，采用衰减曲线法，衰减率为10:1。图5单回路PID控制(a)I(c)根据衰减曲线法设置计算公式，得到PID参数：K1=40*5/4=50，取50；Ti=1.2Ts=68s(注意：在MATLAB中，I=1/Ti=0.01)，Td=0.4Ts=27.2s使用上述PID调节参数获得的阶跃响应曲线如下：图7 PID调节参数图通过观察上述曲线，可以初步看出，经过参数调整后，系统的性能有了很大的提高。目前，控制变量法被用来分别改变P、I和D的参数，观察系统性能的变化，研究各种调节器的功能。保持输入和输出参数不变，并改变输出参数。阶跃响应曲线如下：图8控制变量方法变化p比较不同P参数值下的系统阶跃响应曲线，可以看出，随着K的增大，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P和D参数不变，并改变I参数。阶跃响应曲线如下：图9控制变量方法变化d通过比较系统在不同I参数值下的阶跃响应曲线，可以看出，I调节无残差，随着t I的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。保持P和I参数不变，并改变D参数。阶跃响应曲线如下：比较不同D参数值下的系统阶跃响应曲线，可以看出，随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。现在控制系统增加了干扰，以检测系统的抗干扰能力。系统的仿真框图如下：图10添加干扰后的仿真图阶跃响应曲线如下：图11干扰的阶跃响应图观察上述曲线，并与无干扰时的系统框图进行比较，可以看出系统的稳定性大大降低。当存在干扰，并且存在长期小振荡时，很难稳定。因此，对于存在干扰的单回路控制系统，很难保持系统的稳定性并考虑串级控制。2)串级控制系统的设计主控制器的选择：主被控变量(液位)是过程运行的主要指标，允许的波动范围很小，一般不需要残差，所以主控制器应选择PI控制律设置二次被控变量是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度和控制质量。它可以在一定范围内变化，并有一定的余量。因此，二次控制器可以采用P控制律，因为它主要是为了提高响应速度。在工程实践中，串联和控制系统常用的三种整定方法是：逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。本设计采用一步设置法。一步整定法是根据经验确定二次控制器的参数，然后将二次回路作为主回路的一个环节，按照单回路反馈控制系统的整定方法来整定主调节器的参数。具体方法是：(1)在系统稳定工况和纯比例动作的条件下，根据K02/2=0.5的关系，通过辅助过程放大系数K02计算或根据经验选择辅助调节器的比例放大系数2，并设置在辅助回路调节器上。(2)根据单回路控制系统的任意参数设置方法设置主调节器的参数，(3)改变给定值，观察相应的控制量曲线，根据主调节器放大系数K1和辅助调节器放大系数K2的匹配原则，适当调整调节器参数，优化主参数质量。(4)如果有大的振荡现象，可以通过增加主调节器的比例带或增加积分时间常数T1来改善。对于这种温度串级控制系统，在一定范围内，主控制器和辅助控制器的增益可以相互匹配。根据下表，比例根据本课题的要求，首先选择Kc2=3.5，然后在二次回路闭合时，根据单回路控制器参数设置方法设置主控制器。该方案采用10: 1衰减曲线法。在闭环系统中，调节器被设置为首先按纯比例动作，然后比例频带从大到小逐渐减小，并加入阶跃扰动以观察输出响应衰减过程，直到10: 1衰减过程完成。这就是比例带为10: 1衰减比例带由S表示，两个相邻峰值之间的距离称为10: 1衰减周期TS。根据S和TS，调节器的预设参数值可通过以下经验公式计算。衰减率设置参数调整法律全音阶的第七音Td0.75PsPI1.2s0.5TsPID1.8s0.3 Ts0.1 Ts0.9PsPI1.2s2 TsPID1.8s1.2 Ts0.4 Ts系统的MATLAB仿真框图如下(有噪声):图12噪声情况下的模拟框图当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示：图13无噪声阶跃响应图与单回路控制系统的无干扰阶跃响应相比，串级控制减少了最大偏差、振荡频率和调节时间。现在给系统添加噪声，观察不同压力和压力条件下的系统阶跃响应曲线：当P=20时，I=1图14带噪声的阶跃响应图P=45，I=2图15不同参数的阶跃响应图从以上曲线可以看出，采用二次回路控制器后，调节时间缩短，系统快速性增强，系统稳定性更高，系统抗干扰能力提高，最大偏差更小。可以达到满意的控制效果。5.设计总结通过本次设计，我学习了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，对系统的控制器、执行器、控制对象等部分有了更直观的了解。我基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中P、I、D参数的作用和特点有了更深的了解。通过实验验证，许多内容令人印象深刻。仿真验证了串级控制强干扰抑制能力。在仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习有所帮助。就设计内容而言，也许学习只是过程控制，学习只是MATLAB的操作，但在设计过程中，从设计思路、研究方法、结论总结都培养自己的学习和研究能力，这可能更重要。此外，我以前学的都是课本知识。我刚刚学会如何分析一个系统。课程设计是一个综合的过程。我需要分析系统的性能需求，还需要考虑实际的实现过程。在这样做的过程中，我遇到了疑问，即二次回路中的流量形成了一个闭环。我不知道水流是来自水箱1、2还是水箱1前面的管道。出于这个原因，我问了两位老师，最后才知道，尽管我们仍然有一定的分析系统的能力，但我们仍然缺乏实践能力。我很快就要工作了，也就是说，做扎实的工作。因此，通过这门课程的设计，我可以将之前学到的知识应用到实际工作中。尽管