双容水箱液位控制_北京工业大学

1、自动控制系统课程设计 双容水箱系统控制系统设计与试验课程设计与报告成 员： 专 业： 自动化 任课教师： 于建均 完成日期： 2015年6月20日 目 录1、绪论32、课程设计任务43、被控对象的模型及分析44、系统控制方案论证65、控制结构与控制器设计步骤76、实验过程论述87、实验结果及分析118、总结129、附录13绪论双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 ，在实际生产中 ，双容水箱控制系统在石油、化工环保水处理冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。 经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性

2、、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。论文以THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。一、课程设计任务一、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。（2）掌握基于MATLA

3、B的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。2、被控对象: 双容水箱系统3、 性能指标要求衰减率4:110:1,超调量Mp<10%，调节时间Ts<45s，稳态误差二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示： 图2-3 双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V3和V4的液阻，C1 和C2

4、分别为左水箱和右水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2()；图2-4 阶跃响应曲线2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点B和对应的时间t2。然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K、T1和T2。其中： 对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。当t1/t2=0.32时 ，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T

5、1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ）过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数。实际测得的阶跃响应曲线2、 双容水箱系统数学模型的分析双容水箱系统的等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统的滞后包括两个部分，一部分是由于传输延时造成的纯滞后，另一部分是有水箱自身的容量滞后。由于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型。三、系统控制方案论证1、选用的控制方法：PID控制方法2、 控制方法简介PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有

6、比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误

7、差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。四、控制结构与控制器设计步骤1、控制结构：PID控制系统+r(t) 比例P积分I微分D被控对象PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差： 式（4.1）控制规律为： 式（4.2）或以传递函数形式表示： 式（4.3）KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数。2、控制器的设计：经验凑试法

8、整定方法：采用实验凑试法：它是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。整定步骤：实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。a)整定比例控制 ：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。b)整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。c） 可以先将选择的比例系数减小为原来的5080，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。d）整

9、定微分环节：经过积分整定，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。可先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。最终PID结构及参数：五、实验过程论述 在课设的开始阶段，我们先熟悉了一下实验所用到的仪器及软件，并对实验过程和目的进行了一番学习及了解。接下来我们便进入到了对单/双容水箱的特性测试，也就是对变送器的调试，由于主副回路变送器的滑变总是自动跳数，所以导致我们组花了很长的时间去确定零点电压及线性关系。最后主副回路零点电压基本分别稳定在了1.04v和1.1v。然后便是对水箱数

10、学模型的建立以及控制结构与控制器的设计与仿真。（也就是我前面所陈述的传函的测试与建立，以及我们组所选择的串级控制系统和PID整定方法）此阶段我们组完成的还算比较顺利，虽然不能保证所得传函一定百分百准确，但PID参数的调试及仿真结果还算比较令人满意。 最后便进入到了实时控制阶段。当我们天真的以为仿真调参过后已经接近成功的时候，实时控制的结果告诉我们，理想和现实果然还有一定的差距。当我们搭好模型并采用我们仿真所调试的参数进行测试后惊奇并失望的发现，不仅响应曲线不对，连液位都无法稳定。一阵挫败感过后，实验依然得继续，我们便进入了新一轮的调参活动中，最终我们确定的方案是副回路用比例控制，主回路用比例积

11、分控制。当我们随意给定系统几个液位值并加入各种形式扰动后，系统依然能恢复稳态，虽然调节时间略 长，但其它性能指标要求已基本满足。至此实验基本告以段落。实时控制结构图 ：实验设计中的添加部分：在结构设计中，PID环节后面加了一个1.8V的偏置电压，原因是调节阀在接收到1.8V电压时才会做出出水的响应，加了1.8v的好处是在后面计算流量与电压中可以直接对输出的水量与电压做一个接近于线性的比例关系，这个关系就是后面接的那个1.17的放大环节，此环节实现了流量与电压的直接对应关系。最后面我又加了一个-1.15V的直流偏置电压，此环节是为了在水位高度为零的时候，电压输出正好为0V，在原始调节的环节中，我

12、们按照要求，设定的为1V，在后续实验中，由于其他人改变了调节阀的调节电阻，以及其他的干扰因素，都使得0高度水位时输出的电压为1.15V，在这里减去这个电压，是的最终输出高度与电压的比例关系，正好为1:10，方便观察及计算。另外，在计算PID环节，其中积分环节，我加入了一个+-0.5V的限位，这使得积分环节被限制在了一个小的范围内，使得在PID响应过程更加迅速准确，相当于把原有积分环节修改成了在某一区间内的积分环节，这一点对系统性能有较大的提高。1 系统阶跃响应【PID环节加入限位的前后对比】加入前:Ts明显超过150s，加入后可见Ts为130s左右，满足实验要求技术指标： Mp=9%<1

13、0% Ts=130s Ess=02 给定10cm 330s突加给定7cm 可见不仅超调很小而且高度改正迅速，并能实现无差技术指标： Mp= 5% Ts=140s加扰动后： Mp= 7.3% Ts=140s3、给定10cm 180s时突然加大阀门调价干扰， 33s突然加大放水阀门，400s时给定为9cm 300s有一个小的拐点，原因是阀门开度实在太大，使得水位回升太慢，因此稍微调小一点点放水的阀门，因此出现了一个小拐点，对于实验来说没有影响。可以看出，超调进不超过10%，并且加干扰后系统响应迅速无静差。3、 加水干扰测试120s突然加大放水阀门，320s突然向水箱中加入300ml水 原有系统超调

14、不超过8%，在突然放水时相应迅速，快速实现无差，在后面突然加水环节，更是响应十分迅速，超调接近9%，并能够快速实现无差。 六、实验结果及分析实验结果：从图中可以看出，在我们随意给定7cm和9cm以及加入适当扰动后，系统依然能恢复稳定并保证无静差且响应曲线较好，但由于更正系统参数后时间紧迫使得在选择PID参数时不够精确，导致调节时间虽然满足要求，但是调节时间较长。分析：纵观我们组整个实验过程以及最后响应曲线的呈现，我总结出以下几个问题：（1）仿真的阶跃响应曲线与实际曲线之间存在一定的差别。仿真处于理想状态，而实际是不可能处于理想状态的，系统受到了个个方面的干扰，其次，我组在计算系统参数的时候采用

15、了大量的近似计算，所以这也有可能造成了仿真与实际系统之间的误差。 （2）实际液位与示波器显示的差别这个问题是我们组在进行实时控制时遇到的。这一点十分恼人，因为有很多组人一起做实验，不同组别有不同的数据，调节阀的开度也总会改变，因此其比例很难掌握，不过在姐家来的阶段中，我们找到了更好的方法，就是在PID环节之后加的1.17倍的比例，原因之前已经论述。（3）系统调节时间过长虽然P I D三部分各有各自的特点，但在调节过程中他们的作用毕竟还是相互的， 正所谓牵一发而动全身。调节时间被限定在150s，虽然都满足实验要求，但是我发现在积分环节加入+0.5V的限位以后有较大改观，原因之前已经论述。（4）流

16、量与高度的关系虽然我们实际控制的量为流量不是高度，而实验最终目的是为了实现控制高度，但是我们找到了一个关系，使得流量和高度有了对应关系，就是先加入1.8V的偏置，后面在添加一个1.15V的比例关系，即可实现，原因之前已经论述。七、总结本次双容水箱控制实验收获颇丰。这次实验让我们有了一次将理论与实践相结合的机会。虽然相关的知识在理论课上都有涉及，但到了实际应用中又是另一回事儿。从参数的测量，系统控制方法的选择，控制器的设计以及最后在实物上进行测试，让我们对工业控制的过程有了更清晰的了解。 在实际调试过程中遇到的参数调节问题，是我们收获最大的部分，其中为了达到目的而不停地尝试修改系统结构，添加有效

17、调节环节，都是的我们收获很大。 其次，这次课设让我们更加熟悉了仿真软件MATLAB的使用以及“实时控制”这个我们以前完全没有接触过的东西。同时，这次试验也让我们对自控及过控书上的知识进行了复习以及应用。 其中这次课设对我们组而言也应吸取一些经验和教训。比如我们的实时控制一直出不来，直到周五下午才在老师的帮助下发现，原来我们所用的万用表一直是坏的，导致我们要在三个小时之内重新调零调参测曲线，可见一个小小的疏忽不仅浪费了时间还对实验结果的质量产生了一定的影响。还好比较幸运的是我们基本顺利的完成了此次课设，实验结果也较为满意。最后特别感谢老师的指导以及其它组同学在忙碌之余对我们组伸出的橄榄枝，我们以

18、后会再接再厉，多参加一些这样的实习，提高自己的实践经验，为以后工作打下坚实的基础。 7、附录附件1：THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相应的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。实验时，通

19、过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、低频函数信号发生器及锁零按钮低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦波信号、三角波信号、方波信号、斜波信号和抛物波信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7kHz、700Hz10kHz三档，Vp-p值为16V。使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。另外本

20、单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。三、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围为-5+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个连续可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电

21、压为0V。注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。 四、低频频率计低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz10.0kHz。低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号

22、时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。五、交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz400kHz）、精度高（±5）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。六、通用单元电路通用单元电路具体见实验平台的U1、U2、U4U18单元。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成

23、。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型。其中U1为能控性与能观性单元，U2为无源器件单元，U4为电压转换单元，U5为非线性单元，U6为反相器单元。U7U18为通用运放单元，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。七、零阶保持器零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。八、数据采集接口单元数据采集卡采用研华PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为350k；有16路单端A/

24、D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位机软件安装及使用说明一、上位机控制工程1运行环境项目描述CPUP4(2.2G)以上内存512M以上硬盘不限操作系统最好WinXP显示设备17寸显卡要求64M以上用户名不能使用中文2上位机程序适用于MATLAB6.5版本MATLAB控制产品集支持控制设计过程的每一个环节，可以用于不同

25、的领域，如过程仿真与控制、汽车、航空航天、计算机和通讯等领域。使用MATLAB高级编程语言，能使控制系统的设计和分析更加方便，编程者只需花很短的时间就可以开发出控制算法复杂、绘图功能强大的程序，以实现对数据、方程和结果的显示。注：实验程序处于运行状态时，不能强制对界面进行最小化操作，否则将出现错误。二、上位机软件的使用说明1、仿真部分使用说明1.1 双击任何一个模块，都可以修改其参数。仿真过程中，只需按照实验指导书的内容，修改仿真窗口中相应模块的参数。建议不要随意改动，如有改动，关闭窗口时，不要选择存盘。1.2 当达到仿真结束时间，而示波器不能完整地显示仿真波形时，可通过同时修改仿真参数和示波

26、器参数实现。仿真参数的修改方法：按住Ctrl+E键，在弹出的窗口中修改Stop time的值。示波器参数的修改方法：在打开的示波器窗口中点击Parameters图标，在弹出的窗口中修改Time range的参数。修改完成后，示波器的Time range值必须大于或等于仿真参数的Stop time值。1.3 示波器的Y轴显示范围的修改可通过右击示波器窗口，选择Axes Properties项，在弹出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。1.4 每次参数更新后，需点击Start Simulation图标进行仿真，这样才能看到新的结果（“典型环节和系统频率特性的测量”仿真除外）。2、实验部分使用

27、说明2.1 双击任何一个模块，都可以修改其参数。实验过程中，只需按照实验指导书的内容，修改实验窗口中相应模块的参数。建议不要随意改动，如有改动，关闭窗口时，不要选择存盘。2.2 示波器的Y轴显示范围的修改可通过右击示波器窗口，选择Axes Properties项，在弹出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。2.3 实验过程中，有时会弹出一个提示为“Incomplete message in communication buffer”的窗口，这是由MATLAB R2007a以下的版本存在bug而引起，此时只需关闭弹出窗口，再次点击Conect to targer图标即可继续实验。2.4 基于simulink的仿真属于伪实时仿真，其仿真时间并不与实际时间同步，而与机器执行速度和模型复杂度有关。在完成实时控制实验时，界面中所显示的时间约为实际时间的两倍。3、实时控制实验软件初始化MATLAB软件提供了一个实时开发环境，可用于实时系统仿真和产品的快速原型化，这一点是通过特殊应用工具箱Real-Ti