1、目錄1.設計題目22.設計任務23.設計任務分析24.設計內容55.設計總結136.參考文獻14雙容水箱液位控制系統設計1.設計題目雙容水箱液位控制系統設計2.設計任務如圖1所示的兩個大容量水箱。要求水箱2水位穩定在一定高度，水流量經常波動，作為擾動量存在。試針對該雙容水箱系統設計一個液位流量串級控制方案。圖1 系統示意圖3.設計任務分析系統建?；痉椒ㄓ袡C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

2、產對象。對于本設計而言，由于雙容水箱的數學模型已知，故采用機理法建模。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；主被控對象（水箱2水位）傳遞函數W1=1/(100s+1), 副被控對象（流量）傳遞函數W2=1/(10s+1)。檢測對象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位傳感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量傳感器）?？刂破鳎篜ID；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。為保持水箱2液位的穩定，設計中采用閉環系統，將水箱2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

3、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，當水箱2有干擾時，此干擾經過控制通路傳遞到水箱2，會有很大的延遲，進而是控制器響應滯后，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?？紤]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，檢測水箱1流量，將流量信號傳至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。設計

4、中，首先進行單回路閉環系統的建模，系統框圖如下：圖2 單回路閉環系統框圖雙容水箱單閉環實施方案圖如下圖：圖3 雙容水箱單閉環實施方案圖在無干擾情況下，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，加入副回路、副控制器，在有無干擾的情況下，比較單回路控制、串級控制系統性能的變化，串級控制系統框圖如下：圖4 雙閉環系統框圖雙容水箱液位流量串級系統實施方案圖如圖：圖4 雙閉環系統實施框圖4.設計內容1）單回路PID控制的設計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：先對控制對象進行PI

5、D參數整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10:1.圖5 單回路PID控制（a）將積分時間Ti調為最大值，即MATLAB中I參數為0，微分時間常數Td調為0，比例帶為較大值，即MATLAB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：圖6 系統衰減10:1階躍響應圖經觀測，此時衰減比近似10:1，周期Ts=34s，K=40（c）根據衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數：K1=40*5/4=50，取50；Ti=1.2Ts=68s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.01），Td=0.4Ts=27.2s使用以上PID整定參數得到階躍響應曲線如下：圖7 PID

6、整定參數圖觀察以上曲線可以初步看出，經參數整定后，系統的性能有了很大的改善?，F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：圖8 控制變量法改變P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：圖9 控制變量法改變D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

7、下：比較不同D參數值下系統階躍響應曲線可知，隨著D參數的增大，最大動態偏差減小，衰減率增大，震蕩頻率增大?，F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：圖10 加入干擾后仿真圖階躍響應曲線如下：圖11 干擾時階躍響應圖觀察以上曲線，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主控制器的選擇：主被控變量（液位）是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，所以主控制器應選用PI控制規律副被控變量的設

8、置是為了保證主被控變量的控制質量，提高系統的反應速度，提高控制質量，可以允許在一定范圍內變化，允許有一定的余差，因此副控制器可以采用P控制規律，因為主要為了提高響應速度。在工程實踐中，串及控制系統常用的整定的方法有以下三種:逐步逼近法，兩步整定法，一步整定法。本設計采用一步整定法一步整定法就是根據經驗先確定副控制器的參數，然后將副回路作為主回路的一個環節，按單回路反饋控制系統的整定方法整定主調節器的參數，具體的方法是：（1）在工況穩定，系統純為比例作用的情況下，根據K02/2=0.5這一關系式，通過副過程放大系數K02，求取副調節器的比例放大系數2或按經驗選取，并將其設置在副回路調節器上。（2

9、）按照單回路控制系統的任一種參數整定方法來整定主調節器的參數，（3）改變給定值，觀察被控量的相應曲線，根據主調節器的放大系數K1和副調節器放大系數K2匹配原理，適當調整調節器的參數，使主參數品質最佳。（4）如果出現較大的振蕩現象，只要加大主調節器的比例度或增大積分時間常數T1，就可得到改善對于該溫度串級控制系統，在一定范圍內，主、副控制器的增益可以相互匹配，根據下表，可以大致確定副控制器比例帶和增益Kc2。副控制器對象溫度壓力流量液位比例帶2060307040802080增益Kc21.75.01.43.01.252.51.255.0根據題目要求先選擇Kc2=3.5然后在副回路已經閉合的情況下按

10、單回路控制器參數整定方法整定主控制器，本方案采用10：1衰減曲線法整定，衰減曲線法是在閉環系統中，先把調節器設置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階躍擾動觀察輸出響應衰減過程，直道10：1衰減過程為止，這是的比例度為10：1衰減比例度用s表示，相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS，根據s和TS，再由下表的經驗公式，就可計算出調節器的預整定的參數值。衰減率整定參數調節規律 TiTd0.75PsPI1.2s0.5TsPID1.8s0.3 Ts0.1 Ts0.9PsPI1.2s2 TsPID1.8s1.2 Ts0.4 Ts系統的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：圖12 有噪聲時仿真框

11、圖當無噪聲時，系統的階躍響應如下圖所示：圖13 無噪聲時階躍響應圖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、I條件下的系統階躍響應曲線：P=20 I=1 時 圖14 有噪聲時階躍響應圖P=45 I=2 圖15 不同參數的階躍響應圖觀察以上曲線可知，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，系統穩定性更高，提高了系統的抗干擾能力，最大偏差更小?？梢匀〉昧钊藵M意的控制效果。5.設計總結通過本次設計，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、

12、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識?；菊莆樟撕唵蜗到y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。通過仿真驗證了串級控制對干擾的強烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學習會有所幫助。從設計內容來講，或許學習的僅僅是過程控制，學習的僅僅是MATLAB的操作，但設計過程中，從設計思想，到研究方法，再到結論總結都培養了自己的學習研究能力，這也許更重要。再有，之前學習的都是課本知識，只是學習給你一個系統然后怎么分析，而課程設計則是一個綜合過程，需要分析系統性能要求，同時也要考慮實際實現過程，在做的過程中我就遇到了疑惑，就是在副回路的取哪的流量構成閉環，不知是在水箱1,2間還是在水箱1之前的管道取流量，為此我問了兩個老師，才終于知道了，就算我們分析系統時還有一定的能力，可是動手能力還是比較欠缺的?，F在就快要參加工作了，那就是實干，所以通過本次課程設計，讓我對之前學的知識能運用到實際工作中，雖然遇到了問題，但通過老師