计算机控制系统课程设计

1、计算机控制系统课程设计双容水箱串级PID控制系统的设计与仿真姓名：江洁非班级：电气111学号： 2双容水箱串级PID控制系统的设计与仿真电气111 , 2江洁非1、刖 M ：双容水箱系统是较强代表性的工业对象，具有非常重要的研究意义和价值，通过改变其阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、二阶对象等。同时也是典型的非线性、时延对象，通过其可进行非线性系统 的辨识和控制等相关研究。可构成单回路控制系统、用级控制系统、复杂过 程控制系统等，可为各种控制系统的研究提供参考依据。双容水箱系统的控 制主要通过计算机来完成，可由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统 进行控制，为控制算法的研

2、究提供了良好的试验平台。可在控制过程中改变 组合的状态，从而模拟故障，这也为故障诊断的研究提供了研究对象和试验 平台。2、研究的原理2.1、 双容水箱数学模型节，流出量Q2由用户改变。被控量双容水箱系统构成如右图所示， 由上水箱、下水箱串联在一起，水首 先进入上水箱，然后通过阀 R1流入 下水箱，再通过阀R2从下水箱中流 出。流入量Q0由变频器控制泵来调h20由物料平衡方1 Qo QA1rQ q为下水箱的水位程可得：上水多f: 曲 dT下水多f: dh2 dT其中A1、A2分别为上下两容器截面积，Qku , Qh1 ,Q 也，R1、R1R2R2为两阀门线性化水阻。,2整理上述各式得：巾2”翌

3、T1 丁2零 h2（t） kR2U（t ）dtdt其中：T1 AR1,T2 AR2两边作拉氏变换得：H2（s）kR2U（s）T1s1 T2s1加上纯滞后环节后：H(9U(s)T1skRe1 T2s 12.2、 双容水箱PID控制原理PID控制是最早发展起来算法简单、鲁棒性好和可靠性高的控制策略之一，被广泛应用于工业过程控制。PID控制器就是采用比例(P)、积分(I)、微分(D)的规律来调节系统响应的自动控制器。 它根据给定值r(t)与实际输出值y(t) 构成的偏差信号e将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被 控对象进行控制。其数学模型可表示为：u(t ) Kp e(t)1 e(t

4、 川(t )Td 等Ti odt(9)(9)式中u(t)为控制器的输出；e为控制器的输入；Kp为控制器的比例系数； T1为控制器的积分时间；TD为控制器的微分时间。比例作用能及时成比例地反 应控制系统的偏差信号，起快速调节作用，迅速克服偏差。系数 Kp越大，系统 的响应速度越快，但可能产生超调和振荡，甚至导致系统的不稳定；如果 Kp取 值较小，则会降低调节精度，响应速度缓慢，延长调节时间，系统动、静态特性 变坏。积分作用可保证被控量在稳态值，当 TI较大时，则积分作用较弱，系统 的过渡过程不易产生振荡，但是消除偏差所需的时间较长；当 TI较小时，则积 分作用较强，这时系统过渡过程中有可能会产生

5、振荡， 但消除偏差所需的时间较 短。微分作用的主要是改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度，其作用强弱由微分时间常数TD决定。2.3、 用接PID控制的实现r1r2=m1c2c1fQ主控制器 卜qi 副控制器控制阀 T 副对象 卜丁|主对象p pid1 "pid2副测量k图2审级计算机控制系统的典型结构如上图所示，系统中有两个 PID控制器， 包围副调节器传递函数的内环称为副回路。 包围主调节器传递函数的外环称为主 回路。主调节器的输出控制量 m1作为副回路的给定量r2.审级控制系统的计算机顺序是先主回路(PID1)后副回路(PID2)。控制方式有 两种：一种是异步采样控制，即主回路的

6、采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。这是因为一般审级控制系统中主控对象的响应速度慢、副控对 象的响应速度快的缘故。另一种是同频采样控制，即主、副回路的采样控制周期 相同。这时，应根据副回路选择采样周期，因为副回路的受控对象的响应速度较 快。审级控制的主要优点：(1)、将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制；(2)、副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对主控制器的影响大为 减弱；(3)、副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系统的响应速度。3、原理的应用仿真按照数学模型，忽略两个水箱之间的相互影响，主、副对象的传递函数为:、0. 8656e79sG (s)2246s1

7、G (s)1. 34e 15s335.2s 13.1、 单闭环PID控制系统的设计打开matlab建立如图3所示的simulink模型。PID参数以衰减曲线法整定。控 制系统中控制器参数设置成Kp乍用，使系统投入运行，逐渐把比例度6从大逐渐 调小，直至出现4:1衰减过程曲线。图3图4在simulink中，把反馈连线断开，“KI”和“ KD'都置为“0”，“Kp”的值 从大到小进行试验，每次仿真结束后，观察输出，获取系统 4:1衰减振荡曲线。 PI控制整定时，比例放大系数 KP= 2.1666,积分时间常数TI =494.5,则KI = 0.00438,输入“KP'、"

8、KI”，将“3 置为0,运行系统，双击“ scope”得到 如图4所示的结果，得到PID控制时系统的单位阶跃响应。3.2、 用级PID控制系统的设计先主回路开环，建立的simulink框图如图5所示。当KP =18时，副回路阶 跃响应如图6所示。图5图6此时从图6可以看出衰减比约为 4:1 ,进入主回路闭环状态，取 Kp =0.28 整定主控制器，此时的simulink框图如图7所示。调节主调节器，当Kp1=7,将主回路闭环的条件下重新整定副控制器参数，当Kp= 0.28, Kp1=7,KI =0.01815时，反复试验调节，系统阶跃响应如图8所示。此时系统的阶跃响应比较理想，也即整定的主回路

9、的参数比较合适。图7图8由图8可知，上升时间Ts=400刑调量M=34.63%,系统经过两次震荡后趋 于稳定，系统静态误差小于0.03,均满足要求。3.3、 审级控制系统和单闭环控制系统的比较如图9将审级控制系统和单闭环控制系统的simulink模型搭建在一起，并在同一示波器scopel显示其阶跃响应曲线如图10:图9图10 （紫色为单回路，黄色为串级控制）由图10可作出下表：表1 系统采用单回路控制和串级控制的对比性能指标单回路控制Kp1=2.1666Ki=0.00438串级控制Kp1=7 Ki=0.01815Kp=0.28上升时间450s400s峰值时间750s750s超调量50%34%调

10、节时间3300s2500s由图10和表1分析可得：用级系统缩短了调节时间，提高了系统的快速性， 减小了超调量提高了准确性。4、结论本研究的收获，研究的意义，研究的应用，原理与技术的今后发展。通过以上理论分析和实验结果，可得出如下结论：(1)、在上述双容水箱的控制系统中，副回路的惯性由副回路给予调节，提高了整个系统的响应速度。(2)、控制系统由主回路和副回路双闭环构成，副回路的变化对主回路影响较小， 可先调副回路的pid再调整个系统。(3)、当中间变量能够被检测出来，而控制性能又要求很高时，或当副对象具有 很大的滞后时，采用审级控制是非常有效的控制手段。(4)、在实际中，一般单回路控制方案质量达不到要求时，采用审级控制方法是很有效的控制手段。5、参考文献1李华、范多旺计算机控制系统机械工业出版社；2007.4 (2013