双容水箱毕业答辩课件

1、安 徽 理 工 大 学 毕 业 设 计双容水箱实验教学仿真系统开发设计班 级： 过控08-3班答 辩 人： 钱俊锋指导教师：周毅钧副教授汇报内容安徽理工大学毕业设计一 、研究背景及意义二、水箱建模与PID整定理论三、控制方案设计四、控制系统仿真与检验五、结论一、研究背景及意义 双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制可以作为研究

2、更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。安徽理工大学毕业设计二、水箱建模与PID整定理论水箱A水箱BR1Q1R2QiQ0H1H2双容水箱系统构成图安徽理工大学毕业设计双容水箱数学建模二、水箱建模与PID整定理论安徽理工大学毕业设计 双容水箱系统构成如上图所示，它是两个串联在一起的水箱，水首先进入水箱A，然后通过阀R1流入水箱B，再通过阀R2从水箱B中流出。水流入量Q1由变频控制泵来加以调节，流出量Q0由用户需要改变。被控变量为水箱B的水位H2,根据结构图可以写出两个水箱在任何时间的物料平衡方程： 水箱A： 2-1 水箱B： 2-2 其中： ， ， 2-3 ， 为水箱的

3、截面积， ， 代表线性化水阻，Q，H和u等均以各个量的稳态值为 起始点。 二、水箱建模与PID整定理论安徽理工大学毕业设计将式2-3代入式2-1和式2-1，合并整理后得： 2-4 ， 2-5 其中： ， ， 从式3-15和式3-16两式中消去 得： 2-6上式显然是一个二阶微分方程，这是被控对象两个串联水箱的反映。2-6转变为传递函数形式为：当过程具有纯时延，则传递函数为：式中 为总放大系数安徽理工大学毕业设计PID控制基本原理图 PID控制系统主要由PID控制器和被控对象所组成，而PID控制器则由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节组成，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的偏

4、差信号e(t)，并将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制。PID控制器的数学模型可以用下式表示：式中u(t)-控制器的输出； e(t)-控制器的输入，它是给定值和被控对象输出的差，称为偏差信号； -控制器的比例系数；-控制器的积分时间；-控制器的微分时间。二、水箱建模与PID整定理论 相比于单回路控制系统，串级控制系统在结构上多出了一个测量变送器和一个控制器，在功能上具有非常突出的优点：能迅速克服进入副回路的干扰能改善被控对象特性，提高系统克服干扰的能力。主回路对副对象具“鲁棒性”，提高了系统的控制精度。为有效控制水箱液位，本设计采用串级控制系统。三

5、、控制方案设计串级控制系统框图安徽理工大学毕业设计三、控制方案设计安徽理工大学毕业设计 串级控制系统主副控制器串联在一起，其中任意一个控制器的参数发生变化对整个系统均有影响，因此串级控制系统的参数整定比单回路控制系统要复杂。串级控制系统中主回路是一个定值控制系统，系统对主变量有较高的控制精度要求，其品质指标与单回路定值控制系统一样。副回路是一个随动控制系统，只要求副变量能快速准确的跟随主控器的输出变化而变化。在工程实践中串级控制系统常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法、一步整定法等。由于逐步逼近法步骤非常繁琐，费时费力，在实际中已经很少使用，此外为相对提高控制器参数的合理性，本设计采用应用

6、最为广泛的两步整定法整定PID参数。 整定控制系统PID参数副回路采用衰减曲线法整定PID参数，主回路采用临界比例度法整定三、控制方案设计安徽理工大学毕业设计整定副回路阶跃响应曲线整定副主路阶跃响应曲线根据经验公式，计算主副回路控制参数，并加以微量修整，得到，主副回路的PID参数三、控制方案设计安徽理工大学毕业设计控制器主220.2131.3副34 打开Matlab，建立串级控制系统的Simulink模型 ，并根据上表设定主副控制器的PID参数。输入阶跃信号，观察示波器上的仿真曲线图。四、控制系统仿真与检验安徽理工大学毕业设计双容水箱串级控制系统simulink仿真框图四、控制系统仿真与检验安徽理工大学毕业设计串级控制系统阶跃响应曲线 测试控制系统抗扰动能力建立如下所示仿真框图，设置主、副控制器的PID参数，在时间为0时对系统加入大小为10的阶跃信号， 在150s经过惯性环节向副回路加入阶跃值为20的扰动信号。观察示波器上仿真曲线 四、控制系统仿真与检验安徽理工大学毕业设计图 控制系统抗扰动能力测试simulink仿真框图 串级PID控制的设计方案完成对水箱液位的控制调节是可行的。而且在改善系统的动态特性、抗扰动能力等方面与非串级控制系统是较为有效的。之前整定出的主副控制器PID参数值也是合适可用的。但是仿真曲线只是在计算机上通过对实际