双容水箱液位串级控制系统课程设计

1、双容水箱液位串级控制系统的课程设计1.设计主题双罐液位串级控制系统的设计2.设计任务在图1所示的双水箱液位系统中，水泵1和2分别通过支管1和2将水注入上水箱，支管1中设有调节阀。为了保持下罐的液位恒定，支路2通过变频器干扰下罐的液位。尝试设计串级控制系统以保持下水箱液位恒定。图1双罐液位控制系统示意图3.设计要求1)众所周知，上下水箱的传递函数是：，要求绘制双罐液位系统框图，模拟系统有无干扰的动态过程(假设干扰为白噪声，平均值为0，在给定单位阶跃下系统投入运行10秒后，方差为0.01)；2)设计双水箱液位系统的单回路控制，绘制控制系统框图，模拟控制系统有无干扰的动态过程，其中应写下PID参数的

2、设定依据(选择何种设定方法，P、I、D参数的依据)，并对仿真结果进行评论；3)针对扰动液位系统设计了串级控制方案。要求绘制控制系统框图和实施方案图，模拟控制系统的动态过程，并对模拟结果进行评论。4.设计任务分析系统建模有两种基本方法：机制建模和测试建模。机理建模主要用于生产过程的机理已经被完全掌握，并且可以用数学方法精确描述的情况；测试方法建模是根据实际情况对工业过程的输入和输出进行一些数学处理而得到的。测试方法建模通常比机理方法建模简单，尤其是在一些高阶工业生产对象中。本设计由于双罐的数学模型已知，所以采用了机构建模的方法。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量q；控制量：下水箱的

3、液位；控制对象属性：(上部储罐转移功能)；(下部油箱传递功能)。控制器：仪表流程图；执行器：控制阀。干扰信号：在系统给定的单位步长下运行10s后，应用均值为0、方差为0.01的白噪声为了保持下水箱的液位稳定，设计中采用了闭环系统，通过水位检测器将下水箱的液位信号发送给控制器(PID)，控制器将实际水位与设定值进行比较，并产生输出信号作用在执行器(控制阀)上，从而改变流量调节水位。当对象是单个水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统在理论上可以取得较好的效果，并且系统具有较好的抗干扰能力。设计对象属于双水箱系统，整个对象的控制通道相对较长。如果采用单闭环控制系统，当上层水箱存在干扰时，干扰

4、将通过控制通道传递到下层水箱，这将延迟控制器的响应，影响控制效果。在实际生产中，如果干扰频繁发生，无论如何调整PID参数，都不会得到满意的结果。考虑到串级控制可以提前发现一些主要干扰，提前控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号发送给子控制器，然后直接作用于控制阀，从而获得更好的控制效果。在设计中，首先对单回路闭环系统进行建模，系统框图如下：可以发现，在无干扰的情况下，设定主控制器的PID参数，设定参数后，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)，比较有无干扰时系统稳定性的变化。然后，添加前馈控制，并比较的性能变化A.将积分时间ti调整到最大值

5、，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数TD设置为零，比例带较大，即MATLAB中k较小。B.系统稳定后，进行阶跃响应。当系统的衰减比为10: 1时，阶跃响应如下：参数：K1=9.8，T1=无穷大，TD=0观察后，衰减率约为10: 1，周期Ts=14s，K=9.8C.根据衰减曲线法设置计算公式，得到PID参数：K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s(注意：在MATLAB中，I=1/ti=0.06)；时差=0.4秒=5.6秒使用上述PID调节参数获得的阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6通过观察上述曲线，可以看出参数调整后系统的性能有

6、了很大的提高。采用控制变量法分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的功能。A.保持I和d参数不变，并更改p参数。阶跃响应曲线如下：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参数下的系统阶跃响应曲线，可以看出，随着k的增大，最大动态偏差增大，残差减小，衰减率减小，振荡频率增大。B.保持p和d参数不变，并改变I参数。阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6参数：K1=12，Ti=1，TD=5.6通过比较不同输入参数下的系统阶跃响应曲线，可以看出输入调整没有残余误差，随着输入输入的减小，最大动态偏差增大

7、，衰减率减小，振荡频率增加。C.将p和I参数保持在恒定值，并更改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参数下的系统阶跃响应曲线，可以看出，随着D参数的增加，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。控制系统增加了干扰，以测试系统的抗干扰能力。系统的仿真框图如下：阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6通过观察上述曲线，并与无干扰的系统框图进行比较，可以看出系统的稳定性大大降低，在干扰下很难稳定，并且存在长期的小振荡。因此，单回路控制系统很难在干扰下保持系统的稳定性能，因此需要考

8、虑串级控制。2)串级控制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下(带噪声):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与单回路控制系统的无干扰阶跃响应相比，串级控制减少了最大偏差、振荡频率和调节时间。现在给系统添加噪声，观察不同压力条件下的系统阶跃响应曲线：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5通过观察上述曲线，可以看出当使用二次回路控制器时，调节时间缩短，系统的快速性增强。在干扰下，当增益相同时，系统稳定性较高，系统抗干扰能力提高，最大偏差较小。可以达到满意的控制效果。6.设计总结1)通过本次设计，我们学习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，对系统的控制器、执行器、控制对象等部分有了更直观的了解。2)基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调