雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、精品文檔雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)題目雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2. 設(shè)計(jì)任務(wù)圖 1 所示雙容水箱液位系統(tǒng)， 由水泵 1、2 分別通過(guò)支路 1、2 向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥， 為保持下水箱液位恒定， 支路二則通過(guò)變頻器對(duì)下水箱液位施加干擾。試設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。第二支路引入干擾變頻泵 2第一支路泵 1圖 1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖3. 設(shè)計(jì)要求1） 已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：G p1H 1 (s)2， G p2 (s)H 2 ( s)H 2 (s)1。(s)5s 1Q2 ( s)H 1 (s)20s 1U 1 (s)要求畫(huà)出雙容水箱液位系統(tǒng)

2、方框圖， 并分別對(duì)系統(tǒng)在有、 無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真（假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運(yùn) 10s 后施加的均值為 0、方差為 0.01 的白噪聲）；2） 針對(duì)雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)單回路控制，要求畫(huà)出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對(duì)控制系統(tǒng)在有、 無(wú)干擾作用下的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真， 其中 PID 參數(shù)的整定要求寫(xiě)出整定的依據(jù)（選擇何種整定方法， P、 I 、 D 各參數(shù)整定的依據(jù)如何） ，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述；3） 針對(duì)該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制方案， 要求畫(huà)出控制系統(tǒng)方框圖及實(shí)施方案圖，對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)述。4. 設(shè)計(jì)任務(wù)分析。1 歡迎下載精品文檔系統(tǒng)建模基本方法有

3、機(jī)理法建模和測(cè)試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握， 并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況； 測(cè)試法建模是根據(jù)工業(yè)過(guò)程的實(shí)際情況對(duì)其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，測(cè)試法建模一般較機(jī)理法建模簡(jiǎn)單，特別是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對(duì)象。 對(duì)于本設(shè)計(jì)而言， 由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知， 故采用機(jī)理建模法。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制對(duì)象特性：H 1 (s)2（上水箱傳遞函數(shù)） ；G p1 (s)5sU 1 (s)1H 2 (s)H 2 (s)1（下水箱傳遞函數(shù)） 。G p 2 ( s)H 1 (s)20sQ2 (s)1控制器： P

4、ID；執(zhí)行器：控制閥；干擾信號(hào)：在系統(tǒng)單位階躍給定下運(yùn)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(wěn)定，設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)系統(tǒng)， 將下水箱液位信號(hào)經(jīng)水位檢測(cè)器送至控制器 （ PID），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號(hào)作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對(duì)象是單水箱時(shí)， 通過(guò)不斷調(diào)整PID 參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設(shè)計(jì)對(duì)象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個(gè)對(duì)象控制通道相對(duì)較長(zhǎng)，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)， 當(dāng)上水箱有干擾時(shí)， 此干擾經(jīng)過(guò)控制通路傳遞到下水箱， 會(huì)有很大的延遲，進(jìn)而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，

5、在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無(wú)論如何調(diào)整 PID 參數(shù)， 都將無(wú)法得到滿意的效果?？紤]到串級(jí)控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測(cè)上水箱液位，將液位信號(hào)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(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：可發(fā)現(xiàn)，在無(wú)干擾情況下，整定主控制器的PID 參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、 I 、D 參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無(wú)干擾兩。2 歡迎下載精品文檔種情況下系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)性能的變化，

6、前饋 - 反饋控制系統(tǒng)框圖如下：系統(tǒng)實(shí)施方案圖如下：5. 設(shè)計(jì)內(nèi)容1）單回路 PID 控制的設(shè)計(jì)MATLAB仿真框圖如下（無(wú)干擾）：01先對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行 PID 參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10： 1。3 歡迎下載精品文檔A. 將積分時(shí)間 Ti 調(diào)為最大值， 即 MATLAB中 I 參數(shù)為 0，微分時(shí)間常數(shù) TD調(diào)為零， 比例帶為較大值，即 MATLAB中 K 為較小值。B. 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10： 1 時(shí)，階躍響應(yīng)如下圖：參數(shù)： K1=9.8 ， Ti= 無(wú)窮大， TD=0經(jīng)觀測(cè)，此時(shí)衰減比近似10：1，周期 Ts=14s，K=9.8C根據(jù)衰減曲線法整定計(jì)算公

7、式，得到 PID 參數(shù)： K1=9.8*5/4=12.25，取 12；Ti=1.2Ts=16.8s（注： MATLAB中 I=1/Ti=0.06）； TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID 整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ， TD=5.6觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善?，F(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I 、D 參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。A 保持 I 、 D 參數(shù)為定值，改變P 參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：。4 歡迎下載精品文檔參數(shù)： K1=16，Ti=16.8 ， TD=5.6參數(shù)： K1=20，Ti=16.8

8、 ， TD=5.6比較不同 P 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知， 隨著 K 的增大，最大動(dòng)態(tài)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(shù)為定值，改變I 參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=10 ，TD=5.6。5 歡迎下載精品文檔參數(shù)： K1=12，Ti=1 ， TD=5.6比較不同I 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I 調(diào)節(jié)則無(wú)余差，而且隨著Ti 的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C 保持 P、 I 參數(shù)為定值，改變D 參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ， TD=8.6參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ，

9、TD=11.6。6 歡迎下載精品文檔比較不同 D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著 D 參數(shù)的增大，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大?，F(xiàn) 向 控 制 系 統(tǒng) 中 加 入 干 擾 ， 以 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 的 抗 干 擾 能 力 ， 系 統(tǒng) 的 仿 真 框 圖 如 下 ：階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)： K1=12，Ti=16.8 ， TD=5.6觀察以上曲線，并與無(wú)干擾時(shí)的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時(shí)，很難穩(wěn)定下來(lái)， 出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的小幅震蕩， 由此可見(jiàn)， 單回路控制系統(tǒng)， 在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級(jí)控制。2） 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 MATL

10、AB仿真框圖如下（有噪聲）：。7 歡迎下載精品文檔當(dāng)無(wú)噪聲時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6， K2=0.3比較單回路控制系統(tǒng)無(wú)干擾階躍響應(yīng)可知， 串級(jí)控制降低了最大偏差， 減小了振蕩頻率， 大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P 條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6 ，K2=0.5。8 歡迎下載精品文檔參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6 ，K2=1.0參數(shù)： K1=12， Ti=16.8 ，TD=5.6 ，K2=1.5觀察以上曲線可知， 當(dāng)副回路控制器，調(diào)節(jié)時(shí)間都有所縮短，

11、 系統(tǒng)快速性增強(qiáng)了， 在干擾作用下，當(dāng)增益相同時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小?？梢匀〉昧钊藵M意的控制效果。6. 設(shè)計(jì)總結(jié)1）通過(guò)本次設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡(jiǎn)單系統(tǒng)特性的一般方法，并對(duì)系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對(duì)象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識(shí)。2）基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的PID 參數(shù)整定方法，對(duì)PID 調(diào)節(jié)器中的P、 I 、 D 各個(gè)參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。3) 通過(guò)仿真驗(yàn)證了串級(jí)控制對(duì)干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過(guò)程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對(duì)以后的學(xué)習(xí)會(huì)有所幫助。4）從設(shè)計(jì)內(nèi)容來(lái)講，