双容液位控制系统

1、长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 1 页 装 订 线 长长 春春 大大 学学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 题目名称题目名称 双容液位控制系统 院（系）院（系） 电子信息工程学院 专业（班级）专业（班级） 自动化四班 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 李学军 起止日期起止日期 2013.06.03-2013.06.14 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 2 页 装 订 线 目录目录 1. 设计题目.3 2. 设计任务.3 3. 设计要求.3 4.设计任务分析.3 5.设计内容.4 5.1 双容、多容水箱系统的数学建模.4 5.1.1 双容、多容水箱系统机理

2、模型.4 5.1.2 双容、多容水箱系统模型的参数辨识.5 5.2 双容、多容水箱系统数学建模的仿真.7 5.2.1 控制系统仿真环境 .7 5.3 双容、多容水箱系统数学建模的参数整定.10 5.3.1 PID 控制算法的参数整定.10 5.4 双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析.13 5.5 运用力控组态软件对系统进行设计分析.16 5.5.1 I/O 点收集及表单 .16 5.5.2 创建实时数据库.17 5.5.3 制作双容液液位控制系统主画面.18 5.5.4 力控控制策略的运用 .19 6 实习心得.21 参考文献.22 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 3 页

3、装 订 线 1.设计题目 双容水箱液位前馈反馈控制系统设计。 2.设计任务 图 1 所示双容水箱液位系统，由水泵 1、2 分别通过支路 1、2 向上水箱注 水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对 下水箱液位施加干扰。试设计前馈反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。 变变频频 泵泵2 泵泵1 第第二二支支路路 引引入入干干扰扰 第第一一支支路路 图图 1 双容水箱液位控制系统示意图双容水箱液位控制系统示意图 3.设计要求 1)上下水箱高都约为 16m，具体几何尺寸不详，需仿真实验建模； 2)进水量最大为 16 平方米/小时，调节阀前后压差最大为 3.2Mpa； 3)进

4、水量的扰动为主要扰动。 4.设计任务分析 1） 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的 动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运 10s 后施加的均值 为 0、方差为 0.01 的白噪声） ； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分 别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中 PID 参数的整定 要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D 各参数整定的依据如何） ， 对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计前馈反馈控制方案，要求画出控制系统方框图 及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对

5、仿真结果进行评述。 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 4 页 装 订 线 5.设计内容 1、根据流程控制自动化技术工程实训的实验获得的对象广义传递函数， 建立 Simulink 仿真模型。 2、建立双容液位闭环控制系统及流量前馈液位反馈控制系统仿真模型。 3、采用传统的理论分析法，结合仿真实验整定 PID 控制器的参数，绘制 仿真结果曲线。 4、采用 Simulink 控制系统设计工具箱 SISO Design Tool 设计和优化 PID 控制器的参数，绘制仿真结果曲线。 5、结合工程实训，比较实际系统行为与仿真结果的偏差，分析仿真结果。 5.15.1 双容、多容水箱系统的数学建

6、模双容、多容水箱系统的数学建模 5.1.1 双容、多容水箱系统机理模型双容、多容水箱系统机理模型 同对单容水箱系统进行机理建模一样，首先要先简化系统结构，以双容水 箱系统为例。见图 5.1.1。 Q3 阀 3 阀 2 阀 1 Q2 h1 h0 0 Q1 h2 图 5.1.1 双容水箱系统结 构 根据物料平衡关系，列出增量方程 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 5 页 装 订 线 其中，、为流过阀 1、阀 2、阀 3 的 流量；、为上水箱、下水箱 的液位高度；、为上、下水箱的液容系数；、为阀 2、阀 3 的液阻。 对式（5.1） （5.2） （5.3） （5.4）联立，进行拉氏变换，

7、整理后得到 式中为上水箱过程时间常数，；为下水箱过程时间常数， 。 另外，若上、下水箱之间的管道过长存在时延 ，则此时传递函数多一个 滞后环节，为 由此推及，若 n 个水箱级联，其传递函数应为 式中为总放大系数。上式为无时延过程，下式为有时延过程。 5.1.2 双容、多容水箱系统模型的参数辨识双容、多容水箱系统模型的参数辨识 通过机理建模可以得知多容水箱的传递函数为 我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法，得到各个水箱的过程时间常数 及时延，再由 求得、 即可。 对于本实验的双容水箱系统，还可以用两点法确定相关参数。由于本实验 系统的各水箱连接管道很短，并且管径很大，故时延很小，用两点法更为

8、方便、 准确。 的确定方法同（5.8） 。、采用两点法。 系统阶跃相应为 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 6 页 装 订 线 利用阶跃相应上两个点的数据和确定、。不妨取 及两点，从下图得出相应的、。 O t2t1t 图 5.1.2 双容水箱阶跃相应曲线 联立方程 得到近似解 通过实验，求得该双容系统为二阶系统， 。 由此，求得该系统双容水箱系统的闭环控制框图为 U(s) 图 5.1.3 闭环控制框图 至此，系统的模型就建立完成了。 R(s) 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 7 页 装 订 线 5.25.2 双容、多容水箱系统数学建模的仿真双容、多容水箱系统数学建模的

9、仿真 5.2.1 控制系统仿真环境控制系统仿真环境 5.2.1.1 MATLAB 简介简介 计算机仿真是对控制系统进行科学研究的重要手段。通过计算机仿真来对 比各种控制策略和方案，优化并确定相关参数，以获得最佳控制效果，是多年 来控制系统设计尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技术。 MATLAB 是 Math Works 公司于 1984 年推出的一套高性能的数值计算和 可视化软件，它集数值计算，矩阵运算，信号处理和图形显示于一体，构成了 一个方便的，界面友好的用户环境。由各个领域的专家相继推出了 MATLAB 工具箱，其中主要有信号处理(signal processing)、控制系统(co

10、ntrol system)、神 经网络(neural network)、模糊逻辑(fuzzy logic)、图像处理( image processing)、 小波(wavelet)等工具箱13。本文主要是利用了 SIMULINK 工具箱和 M 文件。 5.2.1.2 SIMULINK 仿真环境仿真环境 SIMULINK 是 MATLAB 环境下的模拟工具，提供了很方便的图形化功能 模块，以便连接一个模拟系统，简化设计流程，减轻设计负担。此外， SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线 性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。SIMULINK 为

11、用 户提供了用方框图进行建模的图形接口，包含有(Sink)输出方式、(Source)输入 源、(Linear)线性环节、(Nonlinear)非线性环节、(Connectors)连接与接口、 (Extra)其他环节子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，还也 可以定制和创建自己的模块13。 5.2.1.3 双容、多容水箱系统的仿真分析双容、多容水箱系统的仿真分析 上面讨论了系统的建模方法并实际测得了水箱液位控制的传递函数。在设 计控制器之前，先要对系统进行 MATLAB 仿真，得到较平滑精确的曲线，对 其进行稳定性分析，进而明确设计的方向。在此基础上，还要分析系统的动态、 稳态性能，

12、从而明确所设计控制器期望达到的控制质量。以典型的多阶系统 二阶系统为例进行分析。 上面，已经求得双容水箱液位控制系统的开环传递函数为 从（5.13）表达式来看，双容水箱系统为具有纯时延环节的二阶系统。但 注意到纯时延环节的时间系数，相对于、来说极小。因此可以将纯时 延环节用一个惯性环节来等价，即用式 来替代，代入式（5.13） ，可得到等价的开环传递函数： 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 8 页 装 订 线 进而得到该系统的闭环传递函数 将（5.15）进行改写，写成零极点形式 从式（5.16）中，可以得到三个闭环极点-1.006、和 。由于-1.006 较两个极点而言距离虚轴较远

13、， 大于两个共轭极点距虚轴距离的 6 倍。因此该系统的衰减余弦项为两个主导极 产生，所以可以进而将系统退变成由两个主导极点为闭环极 点的二阶系统。根据近似的二阶闭环传递函数，取、，得到系 统的近似开环传递函数 其阶跃响应曲线如图 5.2 所示。 （5.13）式与（5.17）式表达的传递函数响 应曲线误差如图 5.3 所示。 图 5.2 双容水箱液位开环响应 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 9 页 装 订 线 图 5.3 近似传递函数与原传递函数误差 首先，从误差曲线看出，该近似二阶系统完全可以准确近似地表示原传递 函数表示的系统。从开环阶跃曲线图可以看出，该二阶系统是自衡系统，并

14、且 是无时延系统，并且这与实际测得的曲线趋势基本吻合。但系统的响应过程很 慢，通常要很长时间才能达到平衡。 下面再看系统的闭环曲线。该二阶系统的闭环传递函数为 其单位阶跃响应曲线如图 5.4 所示 图 5.4 双容水箱液位闭环响应 从图上标示可以看到该系统稳态特性及动态特性的相关参数：超调量 ,调节时间,稳态值为 0.844。从测得的参数不难看出系统 的超调量虽然偏大，动态特性勉强符合要求，但由于系统存在的静差，并且误 差较大，那么在实际工业生产中就很难符合工艺要求。另外，水位上升到终值 并且达到误差小于 5%的调节时间较长，即达到稳定需要的时间较长，这在我 们的设计中也是要尽量改进的。 通过

15、对原系统进行分析，确定滑模便结构控制器的基本方向如下： (1) 设计后的系统地超调量尽可能减小； (2) 系统无静差，严格跟踪输入量； (3) 调节时间尽可能缩短； (4) 在满足上述条件前提下尽可能削弱抖震。 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 10 页 装 订 线 5.35.3 双容、多容水箱系统数学建模的参数整定双容、多容水箱系统数学建模的参数整定 5.3.1 PID 控制算法的参数整定控制算法的参数整定 PID 控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历 程中，PID 控制是历史最悠久、控制性能较强的基本调节方式。PID 控制原理 简单，易于整定，使用方便。因此

16、按照 PID 控制性能工作的各类调节器广泛应 用于工业生产部门。另外，PID 的控制性能指标对于受控对象特性的稍许变化 不很敏感，能一定程度上保证调节的有效性，故 PID 控制仍然是最广泛应用的 基本控制方式。 在 PID 控制算法中，控制作用由比例、积分、微分 3 种基本控制环节组成。 这 3 种控制作用的特点如下： 1. 比例控制作用： 系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被 PID 控制的对象朝着 减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 Kp。缺点是对于具有 自衡能力的被控对象存在静差。加大 Kp 可减小静差，但 Kp 过大，会导致系 统的超调增大，使系统的动态性能变差

17、。 2. 积分控制作用 对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用 具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环 系统不稳定。 3. 微分控制作用的特点 通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加 快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力 降低。 根据被控对象的不同，适当地调整 PID 参数，可以获得比较满意的控制效 果。调节器参数整定的方法很多，但总体说来可以归结成为两大类：一是通过 理论计算进行整定；二是工程整定方法。理论计算整定方法是依据系统的数学 模型，采用控制理论的根轨迹法、频率特性法等，

18、经过理论计算确定调解器的 参数值，但这种方法过分依赖数学模型，计算繁琐，且得到的计算数据未必可 以直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改。故理论计算整定方法只是 提供理论指导，工程中很少应用。工程整定方法依靠工程经验，直接在实验过 程中进行整定，且方法简单、实用。 工程整定方法主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。这里采用 衰减曲线法进行整定。 PID 调解器的动作规律为 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 11 页 装 订 线 或写成 式中， 为比例带，为积分时间常数，为微分时间常数。 首先，先置积分时间，微分时间，比例带 置较大数值，即将 控制器设置为纯比例环节投入运行

19、。 然后，待系统稳定后，加入阶跃输入信号，观察系统响应。若系统响应振 荡衰减太快，就减小比例带；反之增大比例带。如此反复直到出现衰减比为 4：1 的振荡过程，记下此时的 （设为）以及衰减振荡周期（第一个波峰与 第二个波峰之间的时间差）的值。 最后按，整定。 按上述的方法投入运行，当（即）时，得到衰减比 4：1 的 阶跃响应曲线如图 5.5 所示。 图 5.5 衰减比 4：1 的阶跃输出 从图上读出衰减振荡周期，进而得到整定参数 为（即） ， 。将此参数带入 PID 控制函数，得到控制器传递函数为 搭建如图 5.6 的 SIMULINK 方针图进行仿真。 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页

20、 第 12 页 装 订 线 图 5.6 PID 控制系统 在小范围内调节 Ti Td 值，而后进行仿真得到系统的阶跃响应图如下： Ti=60；Td=11.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图。 图 5.6 Ti=60；Td=11.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图 Ti=60；Td=14.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图。 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 13 页 装 订 线 图 5.7 Ti=60；Td=14.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图 在对上面三种系统的阶跃响应图进行分析后，可以确定当 Ti=60；Td=11.342 时，所获得的控制效果相对其他情况较好。故选

21、择后确定 Ti=60；Td=11.342。 5.45.4 双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析 基于上面章节的分析，运用 Matlab 的仿真功能对双容、多容水箱前馈反馈 控制系统进行整体的仿真分析。 图 5.8 前馈反馈控制系统的整体仿真框图 按照上面章节已经构建好的数学模型和已经整定好的各种参数，并与之对 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 14 页 装 订 线 应的设置于各个模块单元上，检查连接好后运行系统，进行仿真。并且不断调 节改变前馈通道中的积分时间参数 T2 和微分时间参数 T1。直至得到的仿真曲 线效果达到设计所需的要求。

22、不同的积分时间参数 T2 和微分时间参数 T1，所得到的仿真曲线如下各图 所示。 前馈通道时间参数 T1=1；T2=1 时，如图 5.9。 如图 5.9 T1=1；T2=1 时的仿真曲线 前馈通道时间参数 T1=12；T2=1 时，如图 5.10。 如图 5.10 T1=12；T2=1 时的仿真曲线 前馈通道时间参数 T1=20；T2=10 时，如图 5.11。 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 15 页 装 订 线 如图 5.11 T1=20；T2=10 时的仿真曲线 前馈通道时间参数 T1=50；T2=25 时，如图 5.12。 如图 5.12 T1=50；T2=25 时的仿真

23、曲线 前馈通道时间参数 T1=50；T2=20 时，如图 5.13。 如图 5.13 T1=50；T2=20 时的仿真曲线 在对上面五种系统的阶跃响应图仿真曲线进行分析后，可以确定当 T1=50；Td=20 时，所获得的控制效果相对其他情况较好。故选择后确定 T1=50；T2=20。 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 16 页 装 订 线 5.55.5 运用力控组态软件对系统进行设计分析运用力控组态软件对系统进行设计分析 5.5.15.5.1 I/OI/O 点收集及表单点收集及表单 经过初步设计，制作设计表单如下： 表 5-5-1 总体设计方案 总体设计方案 类别配置情况 系统性质

24、直接数字控制 系统结构IPC 控制 硬件PC 机 软件力控 Forcecontrol 6.1 表 5-5-2 力控点表 在本实验中，我们需要定义一个 I/O 设备，其定义过程如下：选择“变量” “I/O 设备组态”“力控”“仿真驱动”“SIMULATOR 仿 真器”,出现如下窗口： 图 5.14（a）I/O 设备定义 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 17 页 装 订 线 图 5.14（b）I/O 设备定义 5.5.2 创建实时数据库创建实时数据库 在该系统中，我们需要创建一个拥有 14 个数据库点的实时数据库。数据 库点的创建的步骤如下；具体以 sv 为例。 选取“工程项目”中“

25、变量”下的“数据库组态”双击单元格后进入如下 界面。 图 5.15 sv 的数据组态 1 相应参数设置后点击“数据连接”项，选择“增加”按钮，并做如下设 置。 图 5.15 sv 的数据组态 2 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 18 页 装 订 线 而后完成对 sv 的数据组态。 按照相同的方法对余下的 13 个点进行数据组态。 5.5.3 制作制作双容液液位控制系统主画面双容液液位控制系统主画面 5.5.3.1 工程管理器的使用工程管理器的使用 1）启动力控的“工程管理器” ； 2）按“新增应用”按钮，添加应用名，点击“确定”按钮，然后再点击“开 发系统”按钮，进入力控的组态界

26、面； 5.5.3.2 创建组态界面创建组态界面 1）选择“文件”“新建”创建一个“双容液液位控制系统主画面”窗口。 2）打开 DRAW 的“工具箱” ，选择相应的 PID 手操器， 双击 PID 手操器画 面，对其相应参数设置和数据关联如下。 图 5.16 PID 手操器的基本属性设置 图 5.17PID 手操器的变量设置 长 春 大 学 课程设计纸 共 22 页 第 19 页 装 订 线 图 5.18 PID 手操器的参数整定 得到双容液液位控制系统主画面如下图所示。 图 5.19 双容液液位控制系统主画面 5.5.4 力控控制策略的运用力控控制策略的运用 在力控“工程项目”中打开“工具”中的“控制策略”项。在控制