1、雙容水箱液位串級控制系統設計1. 設計題目雙容水箱液位串級控制系統設計 2. 設計任務圖1所示雙容水箱液位系統,由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水,在支路一中設置調節閥,為保持下水箱液位恒定,支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設計串級控制系統以維持下水箱液位的恒定。 1圖1 雙容水箱液位控制系統示意圖3. 設計要求1 已知上下水箱的傳遞函數分別為:111(2(51p H s G s U s s =+,22221(1(201p H s H s G s Q s H s s =+。 要求畫出雙容水箱液位系統方框圖,并分別對系統在有、無干擾作用下的動態過程進行仿真(假設干擾為在系統單位

2、階躍給定下投運10s 后施加的均值為0、方差為0.01的白噪聲;2 針對雙容水箱液位系統設計單回路控制,要求畫出控制系統方框圖,并分別對控制系統在有、無干擾作用下的動態過程進行仿真,其中PID 參數的整定要求寫出整定的依據(選擇何種整定方法,P 、I 、D 各參數整定的依據如何,對仿真結果進行評述;3 針對該受擾的液位系統設計串級控制方案,要求畫出控制系統方框圖及實施方案圖,對控制系統的動態過程進行仿真,并對仿真結果進行評述。 4.設計任務分析系統建模基本方法有機理法建模和測試法建模兩種,機理法建模主要用于生產過程的機理已經被人們充分掌握,并且可以比較確切的加以數學描述的情況;測試法建模是根據

3、工業過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數學處理得到,測試法建模一般較機理法建模簡單,特別是在一些高階的工業生產對象。對于本設計而言,由于雙容水箱的數學模型已知,故采用機理建模法。在該液位控制系統中,建模參數如下: 控制量:水流量Q ; 被控量:下水箱液位; 控制對象特性:111(2(51p H s G s U s s =+(上水箱傳遞函數; 22221(1(201p H s H s G s Q s H s s =+(下水箱傳遞函數。 控制器:PID ; 執行器:控制閥;干擾信號:在系統單位階躍給定下運行10s 后,施加均值為0、方差為0.01的白噪聲 為保持下水箱液位的穩定,設計中采用閉環系統

4、,將下水箱液位信號經水位檢測器送至控制器(PID ,控制器將實際水位與設定值相比較,產生輸出信號作用于執行器(控制閥,從而改變流量調節水位。當對象是單水箱時,通過不斷調整PID 參數,單閉環控制系統理論上可以達到比較好的效果,系統也將有較好的抗干擾能力。該設計對象屬于雙水箱系統,整個對象控制通道相對較長,如果采用單閉環控制系統,當上水箱有干擾時,此干擾經過控制通路傳遞到下水箱,會有很大的延遲,進而使控制器響應滯后,影響控制效果,在實際生產中,如果干擾頻繁出現,無論如何調整PID 參數,都將無法得到滿意的效果。考慮到串級控制可以使某些主要干擾提前被發現,及早控制,在內環引入負反饋,檢測上水箱液位

5、,將液位信號送至副控制器,然后直接作用于控制閥,以此得到較好的控制效果。設計中,首先進行單回路閉環系統的建模,系統框圖如下: 在無干擾情況下,整定主控制器的PID 參數,整定好參數后,分別改變P 、I 、D 參數,觀察各參數的變化對系統性能的影響;然后加入干擾(白噪聲,比較有無干擾兩種情況下系統穩定性的變化。然后,加入前饋控制,在有干擾的情況下,比較單回路控制、前饋-反饋控制系統性能的變化,前饋-反饋控制系統框圖如下: 系統實施方案圖如下: 5.設計內容1單回路PID控制的設計MATLAB仿真框圖如下(無干擾: 01先對控制對象進行PID參數整定,這里采用衰減曲線法,衰減比為10:1。A.將積

6、分時間Ti調為最大值,即MA TLAB中I參數為0,微分時間常數TD調為零,比例帶為較大值,即MA TLAB中K為較小值。B.待系統穩定后,做階躍響應,系統衰減比為10:1時,階躍響應如下圖: 參數:K1=9.8,Ti=無窮大,TD=0經觀測,此時衰減比近似10:1,周期Ts=14s,K=9.8C.根據衰減曲線法整定計算公式,得到PID參數:K1=9.8*5/4=12.25,取12;Ti=1.2Ts=16.8s (注:MA TLAB中I=1/Ti=0.06;TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數得到階躍響應曲線如下: 參數:K1=12,Ti=16.8,TD=5.6觀察以上曲線可以初

7、步看出,經參數整定后,系統的性能有了很大的改善。現用控制變量法,分別改變P、I、D參數,觀察系統性能的變化,研究各調節器的作用。A.保持I、D參數為定值,改變P參數,階躍響應曲線如下: 參數:K1=16,Ti=16.8,TD=5.6 參數:K1=20,Ti=16.8,TD=5.6比較不同P參數值下系統階躍響應曲線可知,隨著K的增大,最大動態偏差增大,余差減小,衰減率減小,振蕩頻率增大。B.保持P、D參數為定值,改變I參數,階躍響應曲線如下: 參數:K1=12,Ti=10,TD=5.6參數：K1=12，Ti=1，TD=5.6 比較不同 I 參數值下系統階躍響應曲線可知，有 I 調節則無余差，而且

8、隨著 Ti 的減小，最大 動態偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。 C 保持 P、I 參數為定值，改變 D 參數，階躍響應曲線如下： 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6 比較不同 D 參數值下系統階躍響應曲線可知，而且隨著 D 參數的增大， 最大動態偏差減小， 衰減率增大，振蕩頻率增大。 現向控制系統中加入干擾，以檢測系統的抗干擾能力，系統的仿真框圖如下： 階躍響應曲線如下： 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6 觀察以上曲線，并與無干擾時的系統框圖比較可知，系統穩定性下降較大，在干擾作用時， 很難穩定下來， 出現了長時間

9、的小幅震蕩， 由此可見， 單回路控制系統， 在有干擾的情況下， 很難保持系統的穩定性能，考慮串級控制。 2）串級控制系統的設計 系統的 MATLAB 仿真框圖如下（有噪聲） ： 當無噪聲時，系統的階躍響應如下圖所示： 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3 比較單回路控制系統無干擾階躍響應可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大 大縮短了調節時間。 現向系統中加入噪聲，觀察不同 P 條件下的系統階躍響應曲線： 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0 參數：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5 觀察以上曲線可知，當副回路控制器，調節時間都有所縮短，系統快速性增強了，在干 擾作用下，當增益相同時，系統穩定性更高，提高了系統的抗干擾能力，最大偏差更小。可 以取得令人滿意的控制效果。 6.設計總結 設計總結 1）通過本次課程設計，學會了系統建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統特性的一般方法， 并對系統中的控制器、執行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識。 2）基本掌握了簡單系統模型的 PID 參數整定方法，對 PID 調節器中的 P、I、D 各個參數的 功能、特性有了更加深刻的認識，通過實驗驗證的方式，很多內容印象非常深刻。