双容水箱液位流量串级控制系统设计

1、武汉理工大学过程控制与仪表课程设计说明书目录1 .设计题目22 .设计任务2.3 .设计任务分析 2.4 .设计内容5.5 .设计总结136 .参考文献1414双容水箱液位控制系统设计1 .设计题目双容水箱液位控制系统设计2 .设计任务如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经 常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量审级控制方 案。x图1系统示意图流出水箱1水箱23 .设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生 产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况； 测试法建模是根据工业过程的实际

2、情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。 对于本设 计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量q;被控量：下水箱液位；主被控对象(水箱2水位)传递函数 w1=1/(100s+1),副被控对象(流量)传递函数 w2=1/(10s+1)。检测对象特性：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：pid;执行器：控制阀；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行 10s后，施加均值为0、方差为0.01 的白噪声。

3、为保持水箱2液位的稳定，设计中采用闭环系统，将水箱2液位信号经水位 检测器送至控制器（pid）,控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号 作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不 断调整pid参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有 较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长， 如果采用单闭环控制系统，当水箱2有干扰时，此干扰经过控制通路传递到水箱 2,会有很大的延迟，进而是控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中， 如果干扰频繁出现，无论如何调整 pid参数，都将无法得到满意的效果。考虑 到审级控制可以使某些主要

4、干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测水箱1流量，将流量信号传至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较 好的控制效果。设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：图2单回路闭环系统框图双容水箱单闭环实施方案图如下图:在无干扰情况下，整定主控制器的 pid参数，整定好参数后，分别改变 p、i、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 较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。然后，加入副回路、副控制器，在有无干扰的情况下，比较单回路控制、申 级控制系统性能的变化，用级控制系统框图如下：干扰给定值ipid副pid控制阀图4双闭环系统框图双容水箱液位流

5、量用级系统实施方案图如图:设定道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)：先对控制又t象进行pid参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为10:1.图5单回路pid控制(a)将积分时间ti调为最大值，即matlab中i参数为0,微分时间常数td调为0,比例带6为较大值，即matlab中k为较小值。(b)待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为10:1时，阶跃响应如下图：图6系统衰减10:1阶跃响应图经观测，此时衰减比近似10:1,周期ts=34s, k=40(c)根据衰减曲线法整定计算公式，得到pid参数：k1=40*5/4=50 ,取50;ti=1.2ts=68

6、s (注：matlab 中 i=1/ti=0.01) , td=0.4ts=27.2s使用以上pid整定参数得到阶跃响应曲线如下：图7 pid整定参数图观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的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。(a)保持i、d参数为定值，改变p参数，阶跃响应曲线如下：a1叵云a、尽魁曰曰用图8控制变量法改变p比较不同p参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着 k的增大，最大动态偏 差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。(b)保持p、d参数为定值，改变i参数，阶跃响应曲线如下：图9控制变量法改变d比较不同i

7、参数值下系统阶跃响应曲线可知，有i调节则无余差，而且随着ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。(c)保持p、i参数为定值，改变d参数，阶跃响应曲线如下：比较不同d参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着 d参数的增大，最大动 态偏差减小，衰减率增大，震荡频率增大。现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下:transfer fctl2图10加入干扰后仿真图阶跃响应曲线如下：图11干扰时阶跃响应图观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大， 在干扰作用时，很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控 制系统，在有干扰的情况下，

8、很难保持系统的稳定性能，考虑审级控制。2)审级控制系统的设计主控制器的选择：主被控变量(液位)是工艺操作的主要指标，允许波动的 范围很小，一般要求无余差，所以主控制器应选用pi控制规律副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速 度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有一定的余差，因此副控 制器可以采用p控制规律，因为主要为了提高响应速度。在工程实践中，用及控制系统常用的整定的方法有以下三种：逐步逼近法，两步整定法，一步整定法。本设计采用一步整定法一步整定法就是根据经验先确定副控制器的参数， 然后将副回路作为主回路 的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主

9、调节器的参数， 具体的方 法是：(1)在工况稳定，系统纯为比例作用的情况下，根据 k02/6 2=0.5这一关 系式，通过副过程放大系数 k02,求取副调节器的比例放大系数 6 2或按经验选 取，并将其设置在副回路调节器上。(2)按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数，(3)改变给定值，观察被控量的相应曲线，根据主调节器的放大系数k1和副调节器放大系数k2匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。(4)如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度6或增大积分时间常数t1,就可得到改善对于该温度审级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配，根据下表，

10、可以大致确定副控制器比例带和增益 kc20副控制器对象温度压力8m:液位比例带2060307040802080增益kc21.75.01.43.01.252.51.255.0根据题目要求先选择 kc2=3.5然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器， 本方案采用10: 1衰减曲线法整定，衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小， 加阶跃扰动观察输出响应衰减过程， 直道10:1衰减过程为止，这是的比例度为 10: 1衰减比例度用6 s表示，相邻两波峰间的距离称为10: 1衰减周期ts,根 据6 s和ts,再由下表的经验公式，就可计算出

11、调节器的预整定的参数值。衰减率数规律 6titd0.75p6 spi1.20.5tspid1.80.3 ts0.1 ts0.9p6 spi1.22 tspid1.81.2 ts0.4 ts系统的matlab仿真框图如下（有噪声）胃通电g图12有噪声时仿真框图当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示：图13无噪声时阶跃响应图比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，用级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。现向系统中加入噪声，观察不同 p、i条件下的系统阶跃响应曲线：p=20 i=1 时图14有噪声时阶跃响应图p=45 i=2图15不同参数的阶跃响应图观察以上曲线可知，当副回路控制器，

12、调节时间都有所缩短，系统快速性增 强了，在干扰作用下，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更 小。可以取得令人满意的控制效果。5 .设计总结通过本次设计，学会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，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认 识。基本掌握了简单系统模型的 pid参数整定方法，对pid调节器中的p、i、d 各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印 象非常深刻。通过仿真验证了审级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中matlab仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。从设计内容来讲，或许学习的仅仅是过程控制，学习的仅仅是 matlab的 操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的 学习研究能力，这也许更重要。再有，之前学习的都是课本知识，只是学习给你 一个系统然后怎么分析，而课程设计则是一个综合过程，需要分析系统性能要求， 同时也要考虑实际实现过程，在做的过程中我就遇到了疑惑，就是在副回路的取 哪的流量构成闭环，不知是在水箱1,2间还是在水箱1之前的管道取流量，为此 我问了两个老师，才终于知道了，就算我们分析系统时还有一定的能力， 可是动 手能力还是比较欠缺的。现在就快要参加工作了，那就是实干，所以通过本次课 程设计，让我对之前学的知