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

1、目錄目 錄 11 課程設計簡介 21.1 動態(tài)仿真集成環(huán)境介紹 21.2 自動化工程流程 21.3 實訓目的 31.4 實訓要求 42 系統(tǒng)仿真建模 42.1 工程實訓數(shù)據(jù)以及傳函來源 42.2 實驗仿真 42.2.1 雙容液位控制系統(tǒng)仿真 42.2.2 計算機液位流量串級控制系統(tǒng) 102.3 系統(tǒng)仿真結論以及分析 133. 實訓感受 144.參考文獻 1517雙容液位閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)及液位流量串級控制系統(tǒng)1 課程設計簡介1.1 動態(tài)仿真集成環(huán)境介紹對于此次控制系統(tǒng)仿真課程設計比較是實用的一款軟件是 Simulink 。 Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模，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 為用戶提供了一個圖形化上的用戶界 面（GUI）。對于用框圖表示的系統(tǒng)，通過圖形界面，利用鼠標單擊和拖拉方式， 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，更簡單，更靈活的優(yōu)點。它不但 實現(xiàn)了可視化的動態(tài)仿真，也實現(xiàn)了與MATLABC或者FORTRA語言，甚至和硬 件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大地擴展了它的功能。1.2 自動化工程流程自動化儀表實驗裝置包括被控對象接線端子、 電源總開關、 電流指示表、

3、 比 例器、DC24#關電源以及上海萬迅智能調(diào)節(jié)儀表組成的掛箱。被控對象包括上位水箱、下位水箱、儲水箱、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、電磁流量傳感器、孔板流量傳 感器、渦輪流量傳感器、電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、水泵、加溫模塊。自動化儀表實驗裝置采用兩水箱、三個流量傳感器以及三菱變頻器等部件 組成。（ 1 ）水箱 水箱的結構特點是：采用兩槽結構，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液面波動而設計的， 當水流注入水箱后經(jīng)過溢流緩沖槽緩沖，溢出水槽沿水槽壁流下達到減少被測 液面波動。工作槽：是為了我們做實驗而用的，工

4、作槽中有個排水口，這排水口在做 實驗時由一個有孔有機玻璃管插上，隨著工作槽水位的上升，工作槽的排水量 也會增加，這樣就可以滿足一階、二階液位實驗的要求。溢流水管 ：當設備無人職守時有時會出現(xiàn)水箱的水位已經(jīng)到達最高水位， 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，檢測水箱的液位，同時輸出420mA的電流信號。提供給計算機作為液位檢測信號。本套工業(yè)自動化儀表實驗采用掛箱式， 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的水箱) ，液位傳感器都要從新校正零點和量程。( 3)流量計PCT-VI 工業(yè)自動化儀表實驗裝置采用了三種流量計： 1. 電磁流量計 2. 渦輪 流量計 3. 孔板流量計( 4)電動調(diào)節(jié)閥 采用美國霍尼威爾的智能電動調(diào)節(jié)閥，具有精度高、技術先進、體積小、 重量輕、推動力大、功能強、控制單元與電動執(zhí)行機構一體化，可靠性高、操 作方便，并可與計算機配套使用，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，與變頻器一起構成恒壓供水系統(tǒng)。1.3 實訓目

6、的1掌握使用Matlab/Simulink對過程控制系統(tǒng)建模和仿真的方法2、掌握采用Simulink控制系統(tǒng)設計工具箱設計和整定PID參數(shù)的方法。3、結合流程控制自動化技術工程實訓，理解和掌握仿真技術在控制系統(tǒng)設計與分析中的應用。4、結合仿真與工程實訓，理解和掌握單回路控制系統(tǒng)及串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法。1.4 實訓要求1、根據(jù)流程控制自動化技術工程實訓的實驗獲得的對象廣義傳遞函數(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，結合仿真實驗整PID控制器的參數(shù)，繪制仿真結果曲 線。4、采用Simulink控制系統(tǒng)設計工

7、具箱SISO Design Tool設計和優(yōu)化PID控制器的 參數(shù)，繪制仿真結果曲線。5、結合工程實訓，比較實際系統(tǒng)行為與仿真結果的偏差，分析仿真結果。2 系統(tǒng)仿真建模2.1 工程實訓數(shù)據(jù)以及傳函來源需要通過流程控制自動化技術工程實訓來獲取所必要的數(shù)據(jù)進，過計算，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. 前饋計算機控制整定最佳P I D值為：KP=80,Ki=180,Kd=2.以上為進行仿真所提供的必要依據(jù)。2.2 實驗仿真2.2.1 雙容液

8、位控制系統(tǒng)仿真 實驗步驟以及理論分析： 啟動MATLA窗口，在其窗口的工具欄中，單擊Simulink的快捷啟動按鈕啟動。 建立一個系統(tǒng)的結構方框圖，打開一個標題為Un titled ”的空白模型編輯窗口。 分別查找信號源模塊庫Source，數(shù)學運算模塊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。實驗理論分析:根據(jù)流程控制自動化技術工程實訓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:圖2.3通過圖2.3得知此時系統(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 P=80 1=130 D=12接下來開始運用Simulink控制系統(tǒng)設計工

10、具箱SISO Design Tool設計和優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，繪制仿真結果曲線。首先伽ATLA窗口中利用以下命令，得到該系統(tǒng)的LTI對象模型ex10num=1.17;den=32 1; ex1O=tf(num, den);啟動SISO Design Tool窗口保持默認狀態(tài)然后在窗口File菜單下的命令Import，打開系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入模塊System Data對話窗口，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確認并不斷改變參數(shù)使系統(tǒng)達到工程系統(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 計算機液位流量串級控制系統(tǒng)實驗步驟以及理論分析： 啟動MATLA窗口，在其窗口的工具欄中，單擊Simulink的快捷啟動按鈕啟動。 建立一個系統(tǒng)的結構方框圖，打開一個標題為Un titled ”的空白模型編輯窗口。 分別查找信號源模塊庫Source，數(shù)學運算模塊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。實驗理論分析：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看出此時系

14、統(tǒng)已較穩(wěn)定。此時 P=80 1=500 D=102.3系統(tǒng)仿真結論以及分析進行仿真事實上是一種數(shù)值模擬，數(shù)值模擬可以直觀地顯示目前還不易觀測 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都無法 看到的發(fā)生在結構內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。 對試驗方案的科學制定、試驗過程中測 點的最佳位置、儀表量程等的確定提供更可靠的理論指導。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 的影響必然會有很多干擾而這些在計算機的仿真中不能考慮因此會出現(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)最終達到穩(wěn)態(tài)。運用工程實訓調(diào)節(jié)器控制能夠在現(xiàn)場較方便的調(diào)節(jié)工程PID使其達到穩(wěn)定運行，計算機控制更加精密，更加可靠。但是這些都是建立在不斷的實踐的基礎 上的，需要大量人力和物力，而系統(tǒng)仿真恰好提供了這個平臺。 系統(tǒng)仿真能夠節(jié) 省大量人力物力，并且能夠準確的為工程提供參數(shù)，越來越得到應用。 進行仿真事實上是一種數(shù)值模擬， 數(shù)值模擬可以直觀地顯示目前還不易觀測 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都無法 看到的發(fā)生在結構內(nèi)部的一些物理現(xiàn)象。 對試驗方案的科學制定、 試驗過程中測 點的最佳位置、儀表量程等的

16、確定提供更可靠的理論指導。3. 實訓感受通過實訓，初步掌握單回路控制系統(tǒng)的構成。 了解了構成雙容液位控制系統(tǒng)， 并應用臨界比例度法、階躍反應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)對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進行 PID 參數(shù)的自整定 和自動控制的投運。 還學會了采取其他措施， 組成串級控制系統(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)和運用Simulink控制系統(tǒng)設計工具 箱SISO Design Too設計和優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，繪制仿真結果曲線 才發(fā)現(xiàn)自己的知識儲備太差了， 知識層面太狹隘。 而且似乎還需要比較強的 動手能力和觀察力，真的很鍛煉人?？磥碜约旱闹R儲備和動手能力不是很強。 需要多加注意和鍛煉。不過實訓完了以后發(fā)現(xiàn)自己似乎鞏固了一些自己頭腦里的知識框架， 并且對 于以前的知識復習了一下。 并且這次實訓將理論與實踐聯(lián)系的很好， 將自己所學 的知識應用起來了。有位老師曾經(jīng)說過： “實訓的時候，你會發(fā)現(xiàn)誰才是真正的 高手?！笔前?！班里有些同學確實厲害，動手能力也特別強，挺羨慕他們的。實 訓期間發(fā)現(xiàn)自己的能力或多或少有所加強， 我想會給以后的畢業(yè)就業(yè)又有很大的 幫助，甚至對于一生都有幫助。作為自動化專業(yè)的一名學生， 學好理論知識固然重要， 但動手能力也是至關 重要。一定要理論聯(lián)系實際，現(xiàn)在