双容水箱液位串级控制系统课程设计

1、11 / 9双容水箱液位串级控制系统课程设计1 .设计题目双容水箱液位用级控制系统设计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。试设计审级控制系统以维持下水箱液位的恒定。图1双容水箱液位控制系统示意图3 .设计要求1）已知上下水箱的传递函数分别为:Gg(s)也 2U1(s) 5s 1'Gp2(s)H2(s)小 1oQ2(s)H1(s)20s 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

2、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审级控制方案，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，并对仿真结果进行评述。4 .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

3、业过程的实际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;被控量：下水箱液位；Gpi （s）Hi（s）UTs）控制对象特性：2-2-（上水箱传递函数）；5s 1Gp2（s）H2（s）Q2（s）H2（s）Hi（s）（下水箱传递函数）20s 1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的白噪声为保持下水箱液位的稳定， 设计中采用闭环系统， 将下水箱液位信号经水位检测器送

4、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，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，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。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位， 将液位信号送至副控制器，然

5、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：-干扰2操作量一I被控变砒. 0k-可发现，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-反馈控制系统性能种情况下系统稳定性的变化。然后，加入前馈控制，在有干扰的情况下，比较单回路控制、前馈 的变化，前馈-反馈控制系统框图如下:主卜，|）系统实施方案图如下:设立宣5.设计内容1）单回路PID控制的设计 MATLA的真框图如下（无干扰）：01先对控制对象进行 PID参数整定，这里采用衰减曲线

6、法，衰减比为10: 1。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调为零，比 例带8为较大值，即 MA TLAB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:参数：K1=9.8, T仁无穷大,TD=0经观测，此时衰减比近似10: 1,周期Ts=14s, K=9.8C.根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID参数：K1=9.8*5/4=12.25，取12; Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB 中 I=1/Ti=0.06 ）; TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下：参数：K1=1

7、2 , Ti=16.8 , TD=5.6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.保持卜D参数为定值，改变 P参数，阶跃响应曲线如下：1 4参数：K1=16, Ti=16.8, TD=5.6参数：K1=20, Ti=16.8, TD=5.6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。I参数，阶跃响应曲线如下:参数：K1=12 , Ti=10, TD=5.6B.保持P、D参数为定值，改变参数：K1=12, Ti=1 ,

8、 TD=5.6比较不同I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:参数：K1=12 , Ti=16.8 , TD=8.6参数：K1=12 , Ti=16.8 , TD=11.6比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知，而且随着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：参数：K1=12, Ti=16.8, TD=5.6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

9、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,很难保持系统的稳定性能，考虑串级控制。2）审级控制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下（有噪声）：当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示:参数：K1=12, Ti=16.8, TD=5.6, K2=0.3比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串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条件下的系统阶跃响应曲线：0.9 - 0.6- -<；.0.4/=01020305050参数：K1=12 , Ti=16.8 , TD=5.6 , K2=0.51.4参

10、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观察以上曲线可知，当副回路控制器，调节时间都有所缩短，系统快速性增强了， 在干扰作用下，当增益相同时，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。6.设计总结1）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。2）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。3）通过仿真验证了串级控制对干扰的强