双容水箱液位串级控制系统设计(精)

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1、下载可编辑双容水箱液位流量串级控制系统设计设计题目双容水箱液位流量串级控制系统设计设计任务如图 1 所示的两个大容量水箱 。要求水箱 2 水位稳定在一定高度 ，水流量经常波动，作为扰动量存在 。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。水箱1水箱2图 1 系统示意图 设计要求1）已知主被控对象 （水箱 2 水位）传递函数 W1=1/(100s+1,副被控对象（流量）传递函数 W2=1/(10s+1 。2） 假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1 ，针对该水箱工作过程设计单回路 PID 调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出 PID 参数整定的方法与结果 ；3）

2、假设流量传感器传递函数为 Gm2=1/(0.1s+1 ，针对该水箱工作过程设计液位 / 流量串级控制系统 ，要求画出控制系统方框图及实施方案图 ，并给出主 、副控制器的结构 、参数整定方法及结果 ；4） 在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下 ，分别对单回路 PID 控制与串级控制进行仿真试验结果比较 ，并说明原因 。.专业 .整理 .下载可编辑设计任务分析一、系统建模系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理 ，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型测试法一般只用于建立输入 输出模型 。 它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行

3、某种数学处理后得到的模型 。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质 。对于本设计而言 ，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。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：水箱 2 液位；主被控对象 （水箱 2 水位）传递函数 W1=1/(100s+1,副被控对象 （流量）传递函数 W2=1/(10s+1 。控制对象特性 ：Gm1 （S ） =1/ （0.1S+1 ）（水箱 1 传递函数 ）；Gm2 （S ） =1/ （0.1S+1 ）（水箱 2 传递函数 ）。控制器：PID ；执行器：流量控制阀门 ；.专业 .整

4、理 .下载可编辑干扰信号 ：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 。为保持水箱 2 液位的稳定 ，设计中采用闭环系统 ，将水箱 2 液位信号经液位传感器送至控制器 （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 ，当水箱 1 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

5、而是控制器响应滞后 ，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 ，将液位信号传至副控制器 ，然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 ：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），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化 。然后，加入副回路 、副控制器 ，在有无干扰的情

6、况下 ，比较单回路控制 、串级控制系统性能的变化 ，串级控制系统框图如下 ：.专业 .整理 .下载可编辑设计内容1）单回路 PID 控制的设计MATLAB 仿真框图如下 （无干扰）：先对控制对象进行PID 参数整定 ，这里采用衰减曲线法 ，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 0，比例带 为较大值 ，即 MATLAB 中 K 为较小值 。.专业 .整理 .下载可编辑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 ：经观测，此时衰减比近似10:1，周期 Tr=34s ， K=36C

7、、根据衰减曲线法整定计算公式，得到 PID 参数：K1=36*5/4=45,Ti=1.2Ts=40.8s（注：MATLAB 中 I=1/Ti=0.025 ），Td=0.4Ts=13.6s使用以上 PID整定参数得到阶跃响应曲线如下：.专业 .整理 .下载可编辑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 I 、D 参数为定值 ，改变 P参数，阶跃响应曲线如下 ：.专业 .整理 .下载可编辑K1=50, Ti=40.8s,Td=13.6s.专业 .整理 .下载可编辑K

8、1=55, Ti=40.8s,Td=13.6s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 。B 、保持 P 、D 参数为定值 ，改变 I 参数，阶跃响应曲线如下 ：.专业 .整理 .下载可编辑K1=45, Ti=30s,Td=13.6s.专业 .整理 .下载可编辑K1=45, Ti=20s,Td=13.6s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

9、：.专业 .整理 .下载可编辑K1=45, Ti=40.8s,Td=16.6s.专业 .整理 .下载可编辑K1=45, Ti=40.8s,Td=19.6s比较不同 D 参数值下系统阶跃响应曲线可知 ，随着 D 参数的增大 ，最大动态偏差减小 ，衰减率增大 ，震荡频率增大 。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 ：.专业 .整理 .下载可编辑阶跃响应曲线如下 ：.专业 .整理 .下载可编辑观察以上曲线 ，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

10、难保持系统的稳定性能 ，考虑串级控制 。2）串级控制系统的设计系统的 MATLAB 仿真框图如下 （有噪声）：.专业 .整理 .下载可编辑.专业 .整理 .下载可编辑当无噪声时 ，系统的阶跃响应如下图所示：K1=45,Ti=40.8s,Td=13.6s,K2=1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 条件下系统阶跃响应曲线：K1=45,Ti=40.8s,Td=13.6s,K2=0.5.专业 .整理 .下载可编辑K1=45,Ti=40.8s,Td=13.6s,K2=1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 ，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 。设计总结通过本次设计 ，学会了系统建模的基本方法以及简单系统模型的PID 参数整定方法，即衰减曲线整定法通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力 ，熟悉了控制系统中 MATLAB 构建系统和 simulink 仿真的基本方法 。.专业 .整理 .