雙容液位閉環(huán)控制系統(tǒng)及液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)仿真

1、目錄目 錄 11 課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 21.1 動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境介紹 21.2 自動(dòng)化工程流程 21.3 實(shí)訓(xùn)目的 31.4 實(shí)訓(xùn)要求 42 系統(tǒng)仿真建模 42.1 工程實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)以及傳函來源 42.2 實(shí)驗(yàn)仿真 42.2.1 雙容液位控制系統(tǒng)仿真 42.2.2 計(jì)算機(jī)液位流量串級(jí)控制系統(tǒng) 102.3 系統(tǒng)仿真結(jié)論以及分析 133. 實(shí)訓(xùn)感受 144.參考文獻(xiàn) 1517雙容液位閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)1 課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1.1 動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境介紹對(duì)于此次控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計(jì)比較是實(shí)用的一款軟件是 Simulink 。 Simulink 是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析的軟件包。它

2、支持連續(xù)， 離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)， 同時(shí)它也支持具有不同部分擁有不同采樣 率的多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。 Simulink 為用戶提供了一個(gè)圖形化上的用戶界 面（GUI）。對(duì)于用框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式， 建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡(jiǎn)單， 它與用微分方程和 差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，更直觀，更簡(jiǎn)單，更靈活的優(yōu)點(diǎn)。它不但 實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與MATLABC或者FORTRA語言，甚至和硬 件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大地?cái)U(kuò)展了它的功能。1.2 自動(dòng)化工程流程自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)裝置包括被控對(duì)象接線端子、 電源總開關(guān)、 電流指示表、

3、 比 例器、DC24#關(guān)電源以及上海萬迅智能調(diào)節(jié)儀表組成的掛箱。被控對(duì)象包括上位水箱、下位水箱、儲(chǔ)水箱、溫控圓筒、加熱器、液位和 壓力傳感器、壓力罐、濕度傳感器、工業(yè) PH計(jì)、電磁流量傳感器、孔板流量傳 感器、渦輪流量傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、加溫模塊。自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)裝置采用兩水箱、三個(gè)流量傳感器以及三菱變頻器等部件 組成。（ 1 ）水箱 水箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：采用兩槽結(jié)構(gòu)，主要分溢流緩沖槽、工作槽、溢流水 管。溢流緩沖槽：是為了解決水流直接注入水箱造成被測(cè)液面波動(dòng)而設(shè)計(jì)的， 當(dāng)水流注入水箱后經(jīng)過溢流緩沖槽緩沖，溢出水槽沿水槽壁流下達(dá)到減少被測(cè) 液面波動(dòng)。工作槽：是為了我們做實(shí)驗(yàn)而用的，工

4、作槽中有個(gè)排水口，這排水口在做 實(shí)驗(yàn)時(shí)由一個(gè)有孔有機(jī)玻璃管插上，隨著工作槽水位的上升，工作槽的排水量 也會(huì)增加，這樣就可以滿足一階、二階液位實(shí)驗(yàn)的要求。溢流水管 ：當(dāng)設(shè)備無人職守時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)水箱的水位已經(jīng)到達(dá)最高水位， 為了防止液位滿出水箱，則多出的水可以通過溢流排水管排出。水箱I (上位水箱)液位高度：0280mm水箱II (下位水箱)液位高度：0280mm水箱 III (不銹鋼儲(chǔ)水箱)液位高度： 0500mm( 2)液位傳感器液位傳感器連接水箱的底部，檢測(cè)水箱的液位，同時(shí)輸出420mA的電流信號(hào)。提供給計(jì)算機(jī)作為液位檢測(cè)信號(hào)。本套工業(yè)自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)采用掛箱式， 組裝靈活，如果從新組裝了液位

5、傳感器(例如改變了液位傳感器在網(wǎng)孔板上的 位置或改變了所檢測(cè)的水箱) ，液位傳感器都要從新校正零點(diǎn)和量程。( 3)流量計(jì)PCT-VI 工業(yè)自動(dòng)化儀表實(shí)驗(yàn)裝置采用了三種流量計(jì)： 1. 電磁流量計(jì) 2. 渦輪 流量計(jì) 3. 孔板流量計(jì)( 4)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 采用美國霍尼威爾的智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、 重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化，可靠性高、操 作方便，并可與計(jì)算機(jī)配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。( 5)三相磁力水泵水泵采用上海凱士循環(huán)水泵，噪音低、壽命長、功耗小、AC380V供電。在水泵出口裝有壓力罐和壓力變送器，與變頻器一起構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。1.3 實(shí)訓(xùn)目

6、的1掌握使用Matlab/Simulink對(duì)過程控制系統(tǒng)建模和仿真的方法2、掌握采用Simulink控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具箱設(shè)計(jì)和整定PID參數(shù)的方法。3、結(jié)合流程控制自動(dòng)化技術(shù)工程實(shí)訓(xùn)，理解和掌握仿真技術(shù)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析中的應(yīng)用。4、結(jié)合仿真與工程實(shí)訓(xùn)，理解和掌握單回路控制系統(tǒng)及串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法。1.4 實(shí)訓(xùn)要求1、根據(jù)流程控制自動(dòng)化技術(shù)工程實(shí)訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)獲得的對(duì)象廣義傳遞函數(shù)，建立Simulink 仿真模型。2、建立雙容液位閉環(huán)控制系統(tǒng)及流量前饋液位反饋控制系統(tǒng)仿真模型。3、采用傳統(tǒng)的理論分析法，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)整PID控制器的參數(shù)，繪制仿真結(jié)果曲 線。4、采用Simulink控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工

7、具箱SISO Design Tool設(shè)計(jì)和優(yōu)化PID控制器的 參數(shù)，繪制仿真結(jié)果曲線。5、結(jié)合工程實(shí)訓(xùn)，比較實(shí)際系統(tǒng)行為與仿真結(jié)果的偏差，分析仿真結(jié)果。2 系統(tǒng)仿真建模2.1 工程實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)以及傳函來源需要通過流程控制自動(dòng)化技術(shù)工程實(shí)訓(xùn)來獲取所必要的數(shù)據(jù)進(jìn)，過計(jì)算，得液位和流量的廣義傳遞函數(shù)為:y仁(1.17e-12t)/(32T+1)和(0.75e-0.5t)/(4.5T+1)單閉環(huán)工程傳遞函數(shù)整定最佳P I D值為：KP=70,Ki=96,Kd=12. 前饋計(jì)算機(jī)控制整定最佳P I D值為：KP=80,Ki=180,Kd=2.以上為進(jìn)行仿真所提供的必要依據(jù)。2.2 實(shí)驗(yàn)仿真2.2.1 雙容液

8、位控制系統(tǒng)仿真 實(shí)驗(yàn)步驟以及理論分析： 啟動(dòng)MATLA窗口，在其窗口的工具欄中，單擊Simulink的快捷啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)。 建立一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，打開一個(gè)標(biāo)題為Un titled ”的空白模型編輯窗口。 分別查找信號(hào)源模塊庫Source，數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊Math Operations),聯(lián)系系統(tǒng) 模塊(ConutinuouS和接受模塊(Sinks)把求和模塊(Sum,傳遞函數(shù)模塊(Trancefer Fur)和示波器(Scope復(fù)制到Un titled窗口，然后連線，建立圖2.1的系統(tǒng)模型PID2.67138StepPID ControllerTransfer FenScop«Gain

9、d圖2.1調(diào)節(jié)PID器的PID參數(shù)，通過示波器觀察波形，調(diào)節(jié)直到最佳。實(shí)驗(yàn)理論分析:根據(jù)流程控制自動(dòng)化技術(shù)工程實(shí)訓(xùn)所獲得的工程最佳參數(shù)輸入一些參數(shù)P=70 1=96 D=12，仿真如下圖2.2圖2.2通過圖2.2得知系統(tǒng)變化太快不穩(wěn)定，因此需要減力P并增大I并繼續(xù)調(diào)整參數(shù)使P=80 1=120 D=12 仿真波形如下圖2.3所示：自占|0同戸翫國凰9計(jì):圖2.3通過圖2.3得知此時(shí)系統(tǒng)快速性不是很好，而且有靜差。繼續(xù)增大P和I使 P=80 1=130 D=12，得波形圖 2.4圖2.4通過圖2.4得知系統(tǒng)較為穩(wěn)定。此時(shí) P=80 1=130 D=12接下來開始運(yùn)用Simulink控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工

10、具箱SISO Design Tool設(shè)計(jì)和優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，繪制仿真結(jié)果曲線。首先伽ATLA窗口中利用以下命令，得到該系統(tǒng)的LTI對(duì)象模型ex10num=1.17;den=32 1; ex1O=tf(num, den);啟動(dòng)SISO Design Tool窗口保持默認(rèn)狀態(tài)然后在窗口File菜單下的命令I(lǐng)mport，打開系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入模塊System Data對(duì)話窗口，見圖2.5:Inport Syste* DataSystem HomeSyslem Data 1NameuntittedHImport tramStSOModetS® VWjrtspacw QMAT-ffle O S

11、vmkexl DOther(Hart)(Sensor)(edrted) untitleoc(Premer) (CowpensatOfJOK Cane創(chuàng)柚圖2.5確認(rèn)并不斷改變參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到工程系統(tǒng)廣義傳遞函數(shù)ode圖以及nyquist圖如下圖2.6和圖2.7圖2.7圖2.7得出其仿真結(jié)果為圖2.8 :LTI ¥iever for SISO Design ToolElie Edit 世透 w U>lp一T11一一一一一一- /一/ /一/ /J11Step Response20406080100120Time (sec)25O-LTI viewer叵| Real-Time Upd

12、ate圖2.8222 計(jì)算機(jī)液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟以及理論分析： 啟動(dòng)MATLA窗口，在其窗口的工具欄中，單擊Simulink的快捷啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)。 建立一個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖，打開一個(gè)標(biāo)題為Un titled ”的空白模型編輯窗口。 分別查找信號(hào)源模塊庫Source，數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊Math Operations）,聯(lián)系系統(tǒng)模塊（ConutinuouS和接受模塊（Sinks）把求和模塊（Sur）,傳遞函數(shù)模塊（TranceferFur）和示波器（Scope復(fù)制到Un titled窗口，然后連線，建立圖2.9的系統(tǒng)模型until Jed *EJIe Edit '蟲evt Emulatio

13、n Fffmat Icwta | Q SQ i叵廠而花3 I爭(zhēng)肉闊慮l”迢EE ®圖2.9調(diào)節(jié)PID器的PID參數(shù)，通過示波器觀察波形，調(diào)節(jié)直到最佳。實(shí)驗(yàn)理論分析：首先根據(jù)工程最佳參數(shù)輸入一些參數(shù)°=100 1=400 D=10，仿真如下圖2.10圖 2.10通過圖2.10看出系統(tǒng)變化得太快，所以系統(tǒng)不穩(wěn)定。需要減/P并增大I使P=801=450 D=10并繼續(xù)調(diào)整參數(shù)使仿真波形如下圖2.11所示：圖 2.11通過圖2.11得出此時(shí)系統(tǒng)快速性已經(jīng)很好，但仍然有靜差。繼續(xù)增大I使P=80 I=500 D=10，得波形圖 2.12Spwp-n圖 2.12通過圖2。12看出此時(shí)系

14、統(tǒng)已較穩(wěn)定。此時(shí) P=80 1=500 D=102.3系統(tǒng)仿真結(jié)論以及分析進(jìn)行仿真事實(shí)上是一種數(shù)值模擬，數(shù)值模擬可以直觀地顯示目前還不易觀測(cè) 到的、說不清楚的一些現(xiàn)象，容易為人理解和分析；還可以顯示任何試驗(yàn)都無法 看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。 對(duì)試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、試驗(yàn)過程中測(cè) 點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導(dǎo)。通過仿真能看出工程中的整定與仿真整定值還是有誤差的，但是誤差不是很大。因此系統(tǒng)仿真在工程中還是很實(shí)用的。 工程中的由于工作環(huán)境以及其他因素 的影響必然會(huì)有很多干擾而這些在計(jì)算機(jī)的仿真中不能考慮因此會(huì)出現(xiàn)出入。但基本遵守的原則都是：比例可以調(diào)節(jié)其快速性，積分消除

15、靜態(tài)誤差，微分環(huán)節(jié)能 夠消除延遲。按著這一原則從而不斷調(diào)節(jié)參數(shù)最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。運(yùn)用工程實(shí)訓(xùn)調(diào)節(jié)器控制能夠在現(xiàn)場(chǎng)較方便的調(diào)節(jié)工程PID使其達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，計(jì)算機(jī)控制更加精密，更加可靠。但是這些都是建立在不斷的實(shí)踐的基礎(chǔ) 上的，需要大量人力和物力，而系統(tǒng)仿真恰好提供了這個(gè)平臺(tái)。 系統(tǒng)仿真能夠節(jié) 省大量人力物力，并且能夠準(zhǔn)確的為工程提供參數(shù)，越來越得到應(yīng)用。 進(jìn)行仿真事實(shí)上是一種數(shù)值模擬， 數(shù)值模擬可以直觀地顯示目前還不易觀測(cè) 到的、說不清楚的一些現(xiàn)象， 容易為人理解和分析； 還可以顯示任何試驗(yàn)都無法 看到的發(fā)生在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。 對(duì)試驗(yàn)方案的科學(xué)制定、 試驗(yàn)過程中測(cè) 點(diǎn)的最佳位置、儀表量程等的

16、確定提供更可靠的理論指導(dǎo)。3. 實(shí)訓(xùn)感受通過實(shí)訓(xùn)，初步掌握單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。 了解了構(gòu)成雙容液位控制系統(tǒng)， 并應(yīng)用臨界比例度法、階躍反應(yīng)曲線法和整定單回路控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)，熟 悉 PID 參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行 PID 參數(shù)的自整定 和自動(dòng)控制的投運(yùn)。 還學(xué)會(huì)了采取其他措施， 組成串級(jí)控制系統(tǒng)整定參數(shù)。 還了 解了 Simulink的原理以及其系統(tǒng)仿真整定PID參數(shù)和運(yùn)用Simulink控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具 箱SISO Design Too設(shè)計(jì)和優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，繪制仿真結(jié)果曲線 才發(fā)現(xiàn)自己的知識(shí)儲(chǔ)備太差了， 知識(shí)層面太狹隘。 而且似乎還需要比較強(qiáng)的 動(dòng)手能力和觀察力，真的很鍛煉人。看來自己的知識(shí)儲(chǔ)備和動(dòng)手能力不是很強(qiáng)。 需要多加注意和鍛煉。不過實(shí)訓(xùn)完了以后發(fā)現(xiàn)自己似乎鞏固了一些自己頭腦里的知識(shí)框架， 并且對(duì) 于以前的知識(shí)復(fù)習(xí)了一下。 并且這次實(shí)訓(xùn)將理論與實(shí)踐聯(lián)系的很好， 將自己所學(xué) 的知識(shí)應(yīng)用起來了。有位老師曾經(jīng)說過： “實(shí)訓(xùn)的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)誰才是真正的 高手?！笔前?！班里有些同學(xué)確實(shí)厲害，動(dòng)手能力也特別強(qiáng)，挺羨慕他們的。實(shí) 訓(xùn)期間發(fā)現(xiàn)自己的能力或多或少有所加強(qiáng)， 我想會(huì)給以后的畢業(yè)就業(yè)又有很大的 幫助，甚至對(duì)于一生都有幫助。作為自動(dòng)化專業(yè)的一名學(xué)生， 學(xué)好理論知識(shí)固然重要， 但動(dòng)手能力也是至關(guān) 重要。一定要理論聯(lián)系實(shí)際，現(xiàn)在