雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真

1、雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真作者:日期:內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書題目：雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真學生姓名：任志江學號：10671121041067112104專業(yè)：測控技術與儀器班級：測控 10-110-1 班指導教師：梁麗內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設計題目雙容水箱液位控制系統(tǒng)仿真指導教師梁麗時間2012.10.292012.11.02、教學要求1、學會收集和查閱資料，學會針對指定控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型的方法;2、學會使用Matlab/Simulink建模和仿真的方法；3、掌握控制器的設計方法，以及控制器參數(shù)整定和優(yōu)化的方法。、設計資料及參數(shù)雙容水箱結

2、構圖1、雙容水箱?結構圖?水流入量Qi由調節(jié)閥u（FV10D控制，流出量Qo則由用戶通過負載閥R來改變，被調量為下水箱水位h,分析水位在調節(jié)閥開度擾動下的動態(tài)特性。2、對某種型號的水箱，在某平衡點附近，建立其線性化模型，其中各參數(shù)分別為：T1=80s,T2=80s,K1=KuR1=1K2=R2/R1=118s,22s。三、設計要求及成果1、分析系統(tǒng)，根據(jù)物料平衡原理（即液位平衡狀態(tài)下，流出量必然等于流入量）和給出的參數(shù)推導系統(tǒng)的數(shù)學模型；2、將數(shù)學模型轉變?yōu)榉抡婺Ｐ?，并用Matlab/Simulink實現(xiàn)求其動態(tài)響應；3、設計合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其盡量滿足穩(wěn)、準、快的要求

3、；4、針對大滯后系統(tǒng)，可以用Simulink搭建帶有Smith預估器的PID控制器，將該模塊嵌入到控制系統(tǒng)中直接控制。并與第三步設計的控制器的控制效果進行比較；內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書5、完成5000字左右的課程設計報告（包括設計原理、設計過程及結果分析幾部分），要求給出設計的模型圖和仿真曲線圖。四、進度安排1、根據(jù)給定的參數(shù)或工程具體要求，收集和查閱資料（天）2、Matlab/Simulink建模（天）3、控制系統(tǒng)設計與優(yōu)化（兩天）4、編寫課程設計說明書（天）五、評分標準1）工作態(tài)度（占10%）;2）基本技能的掌握程度（占20%）;3）方案的設計是否可行和優(yōu)化（40%）;4）

4、課程設計技術設計書編寫水平（占30%）。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級。六、建議參考資料1、李國勇，控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CADM,北京：電子工業(yè)出版社，2003,92、王丹力，MATLAB控制系統(tǒng)設計仿真應用M,北京：中國電力出版社，2007,92、薛定宇，控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設計M,北京：機械工業(yè)出版社，2005,13、金以慧，過程控制M,北京：清華大學出版社，2003,6IIII內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書摘要隨著工業(yè)生產的飛速發(fā)展，人們對生產過程的自動化控制水平、工業(yè)產品和服務產品質量的要求也越來高。每個先進、實用控制算法和監(jiān)測算法的出現(xiàn)都對工業(yè)生產具有積極有效的推動

5、作用。然而，當前的學術研究成果與實際生產應用技術水平并不是同步的，通常情況下實際生產中大規(guī)模應用的算法要比理論方面的研究滯后幾年，甚至有的時候這種滯后相差幾十年。這是目前控制領域所面臨的最大問題，究其根源主要在于理論研究尚缺乏實際背景的支持，旦應用于現(xiàn)場就會遇到各種各樣的實際問題，制約了其應用。本設計設計的課題是雙容水箱的PID液位控制系統(tǒng)的仿真。在設計中，主要針對雙容水箱進行了研究和仿真。本文的主要內容包括：對水箱的特性確定與實驗曲線分析，通過實驗法建立了液位控制系統(tǒng)的水箱數(shù)學模型，設計出了控制系統(tǒng)，針對所選液位控制系統(tǒng)選擇合適的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系統(tǒng)，

6、調節(jié)器采用PID控制系統(tǒng)。通過仿真參數(shù)整定及各個參數(shù)的控制性能，對所得到的仿真曲線進行分析，總結了參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。關鍵詞：MATLABPID控制；液位系統(tǒng)仿真III III內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書目錄第章控制系統(tǒng)仿真概述2.1.1控制系統(tǒng)計算機仿真2.1.2控制系統(tǒng)的MATLAW算與仿真2第二章PID控制簡介及其整定方法62.1 PID控制簡介6.2.1.1 PID控制原理62.1.2 PID控制算法72.2 PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程82.2.1比例控制與其調節(jié)過程82.2.2比例積分調節(jié)92.2.3比例積分微分調節(jié)1.02.3 PID控制的特點1.02.4

7、PID參數(shù)整定方法1.1第三章雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計1.33.1雙容水箱結構1.33.2系統(tǒng)分析1.33.3雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計1.63.3.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)的simulink仿真圖163.3.2雙容水箱液位控制系統(tǒng)的simulink仿真波形17第四章課程設計總結1.8內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書第章控制系統(tǒng)仿真概述1.1控制系統(tǒng)計算機仿真控制系統(tǒng)的計算機仿真是門涉及控制理論、計算數(shù)學與計算機技術的綜合性學科，它的產生及發(fā)展差不多是與計算機的發(fā)明和發(fā)展同步進行的?？刂葡到y(tǒng)的計算機仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎，采用教學模型代替實際的控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對控制系統(tǒng)進

8、行試驗和研究的種方法?？刂葡到y(tǒng)計算機仿真的過程包含如下步驟：(1)建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的數(shù)學模型是指描述系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及內部變量之間關系的數(shù)學表達式。系統(tǒng)數(shù)學模型的建立可采用解析法和試驗法，常見的數(shù)學模型有微分方程、傳遞函數(shù)、結構圖、狀態(tài)空間表達式。(2)建立控制系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型轉換成能夠對系統(tǒng)進行仿真的模型。(3)編制控制系統(tǒng)的仿真軟件采用各種各樣白計算機語言(Basic、FORTRANC語言等)編制控制系統(tǒng)的仿真程序， 或直接利用些仿真語言。(4)進行系統(tǒng)仿真試驗并輸出仿真結果通過對仿真模型對實驗參數(shù)的修改，進行系統(tǒng)仿真實驗，輸出仿真結果。如果應用MATL

9、B勺Toolbox及Simulink集成環(huán)境作為仿真工具，則構成了MATLAB&真。1.2控制系統(tǒng)的MATLA時算與仿真MATLAB是矩陣實驗室(Matrixlaboratory)之意。MATLABt有以下主要特點：(1)功能強大，實用范圍廣MATLAB除了具備卓越的數(shù)值計算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號計內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書算。差不多所有科學研究與工程技術應用所需要的計算，PID均可完成。(2)語言簡潔緊湊，使用方便靈活MATLA魄供的庫函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的專用庫函數(shù)。MATLA程序書寫形式利用豐富的庫函數(shù)避開了復雜的

10、子程序編程任務，壓縮了切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由各領域的專家編寫，用戶不必擔心函數(shù)的可靠性。(3)有好的圖形界面，用戶使用方便MATLAB具有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。MATLAB勺函數(shù)命令眾多，各函數(shù)的功能及使用又可由MATLABS形界面下的菜單來查詢，為用戶提供了學習它的便捷之路。MATLAB是演算紙式的科學過程計算語言，使用MATLA踹程運算與人的科學思路和表達方式相吻合，猶如在演算紙運算并求運算結果，使用十分方便。(4)圖形功能強大MATLAB里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。MATLABS據(jù)的可視化非常簡單，MATLAB5具有較強的編?圖形界面的能力。(5)

11、功能強大的工具箱MATLA葩含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。當前流行的MATLAB7.0/Simulink5.0包括擁有數(shù)自個內部函數(shù)主包和三十多種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學科性工具包：功能性工具包用來擴充MATLAB勺符號計算、可視化建模仿真、文字處理及實時控制等功能；學科性工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包、信號處理工具包、通信工具包等都屬于此類。針對過程控制系統(tǒng)的非線性、 快時變、 復雜多變量和環(huán)境擾動等特點及MATLAB勺可實現(xiàn)動態(tài)建模、仿真與分析等優(yōu)點，采用MATLAB勺Toolbox與Simulink仿真工具，為過程控制系統(tǒng)設計與參數(shù)整

12、定的計算和仿真提供了個強有力的工具，使過程控制系統(tǒng)的設計與整定發(fā)生了革命性的變化。Simulink是MATLABft重要的組件之，它提供個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以優(yōu)點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。(1)Simulink的功能：Simulink是MATLA中的

13、種可視化仿真工具，是種基于MATLAB勺框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的二個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了個建立模型方塊圖的圖形用戶接?(GUI),這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結果。Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領域仿真和基于模型的設計工具。 對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交

14、互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執(zhí)行和測試。構架在Simulink基礎之的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執(zhí)行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLABS密集成，可以直接訪問MATLAB：量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。(2)Simulink的特點：a.豐富的可擴充的預定義模塊庫。b.交互式的圖形編?器來組合和管理直觀的模塊圖c.以設計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復雜設計的管理。d.通過ModelExplorer導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參

15、數(shù)、屬性，生成模型代碼。e.提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成。f.使用EmbeddedMATLA瞅塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調用內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書MATLA睇法。g.使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型。h.圖形化的調試器和剖析來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書第二章PID控制簡介及其整定方法2.1 PID控制簡介2.1.1PID控制原理當今的自動控制技術絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個基本要素：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的是變量

16、，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和調節(jié)控制系統(tǒng)的響應。反饋理論及其在自動控制中應用的關鍵是：做出正確測量與比較后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調節(jié)。在過去的十幾年里，PID控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中95%以的控制回路都具有PID結構，而且許多高級控制都是以PID控制為基礎的。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理如圖3.1所示。這是個典型的單位負反饋控制系統(tǒng)，它由PID控制器和被控對象組成。圖3.1PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值e(t)構成偏差e(t)=r(t)-c(t)內蒙古科技大學控制

17、系統(tǒng)仿真課程設計說明書2.1.2 PID控制算法典型的PID模擬控制系統(tǒng)如圖3.2所示。圖中sp(t)是給定值，pv(t)為反饋量，c(t)為系統(tǒng)輸出量，PID控制器的輸入輸出關系式為：1tdeM(t)KceedtTDMinitial(3.1)TI0dt即輸出=比例項+積分項+微分項+輸出初始值，Kc是PID回路的增益，T和TD分別是積分時間和微分時間常數(shù)。式中等號右邊前3項分別是比例、積分、微分部分，他們分別與誤差、誤差的積分和微分呈正比。如果取其中的項或這兩項，可以組成P、PD或PI控制器。需要較好的動態(tài)品質和較高的穩(wěn)態(tài)精度時，可以選用PI控制方式控制對象的慣性滯后較大時，應選擇PID控制

18、方式。圖3.2所示分別為當設定值由0突變到1時，在比例(P)作用、比例積分(PI)作用和比例積分微分(PID)作用下，被調量T(s)變化的過度過程?？梢钥闯霰壤e分微分作用效果為最佳，能迅速的使T(s)達到設定值1。比例積分作用則需要稍長時間。比例作用最終達不到設定值，而有?差。圖3.2模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書為了方便計算機實現(xiàn)PID控制算式，必須把微分方程式（3.1）改寫成差分,作如下近似，即生ee（nD（3.3）dtT其中T為控制周期，n為控制周期序號（n=0,1,2）,e（n-1）和e（n）分別為第（n-1）和第n控制周期所得的偏差。將式（3.2）和（3

19、.3）代入式（3.1）中可得差分方程TnTDM(n)Kce(n)e(j)e(n)e(n1)TIj0T（3.4）其中M（n）為第n時刻的控制量。如果控制周期T與被控對象時間常數(shù)TD比較是相對小的，那么這種近似合理的，并與連續(xù)控制十分接近。2.2PID調節(jié)的各個環(huán)節(jié)及其調節(jié)過程水箱液位控制系統(tǒng)的目前主要采用PID（比例積分微分）控制方式，這種方式，對不同的控制對象要用不同的PID參數(shù)。2.2.1比例控制與其調節(jié)過程比例作用實際是種線性放大（縮?。┕δ?。比例調節(jié)的顯著特點是有差調節(jié)，如果采用比例調節(jié)，則在負荷的擾動下調節(jié)過程結束后，被調量不可能與設tedt0Te(j)j0(3.2)Minitial圖

20、3.3P、PI、PID調節(jié)的階躍響應曲線內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書定值準確相等，它們之間定有殘差。采樣偏差旦產生，控制器立即產生正比于偏差大小的控制作用，使被調量朝誤差減小方向變化，具作用大小通過比例增益度量，比例增益大時響應速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，但會產生較大的超調或產生不穩(wěn)定，而Kc過小會使響應速度緩慢。調節(jié)時間加長，調節(jié)精度降低。在比例調節(jié)中調節(jié)器的輸出信號u(n)與偏差信號e成比例，比例系數(shù)為Kc,稱為比例增益。在過程控制中習慣用增益的倒數(shù)表示調節(jié)器的輸入與輸出之間的比例關系，即1M=e(3.(8)6稱為比例帶。6具有重要的物理意義。如果M直接代表調節(jié)閥開度的變化量，那么6就

21、代表使調節(jié)閥開度改變100%即從全關到全開時所需要的被調量的變化范圍。 根據(jù)P調節(jié)器的的輸入輸出測試數(shù)據(jù)，很容易確定它的比例帶的大小。比例調節(jié)的殘差隨比例帶的加大而加大，從這方而考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制的首要要求，比例帶的設置必需保證系統(tǒng)具有定的穩(wěn)定裕度。6很大意味著調節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調量的變化比較平穩(wěn)，甚至沒有超調，但殘差很大，調節(jié)時間也很長；減小6就加大了調節(jié)閥的動作幅度，引起被調量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，殘差相應減小。6有個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進步

22、減小6系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。6的臨界值可以根據(jù)實驗測定。2.2.2比例積分調節(jié)積分作用則是種記憶，對誤差進行累積，有利于消除靜差。但積分作用如果太強，會引起較大超調或振蕩，且在實際當中會經常碰到積分飽和現(xiàn)象在I調節(jié)中，調節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調節(jié)的特點是無差調節(jié)，與P調節(jié)的有差調節(jié)成鮮明對比。只有當偏差e為零時，I調節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調節(jié)器的輸出卻可以停在任何值。這意味著被控對象在負荷擾動下的調節(jié)過程后，被調量沒有殘差，而調節(jié)閥可以停在新的負荷所要求內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書的開度。PI調節(jié)就是綜合P、I兩種調節(jié)的優(yōu)點，利用P調節(jié)快速抵消干擾，同時利用

23、I調節(jié)消除?差。PI調節(jié)引入積分動作帶來消除系統(tǒng)殘差的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調節(jié)器的比例帶必須適當加大。所以PI調節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在比例帶不變的情況下，減小積分時間，將使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇，調節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。2.2.3比例積分微分調節(jié)微分作用要是用于產生提前的控制作用，改善動態(tài)特性，減小調整時間，使系統(tǒng)易于穩(wěn)定。以的比例調節(jié)和積分調節(jié)都是根據(jù)當時的偏差方向和大小進行調節(jié)的。不管被控對象中流入流出量之間有多大的不平衡。而這個不平衡決定著此后被調量將如何變化的趨勢。由于被調量的變化速度(包括大小和方向)

24、可以反映當時或稍前些時間流入、流出量間的不平衡情況，因此，如果調節(jié)器能夠根據(jù)被調量的變化速度來移動調節(jié)閥，而不要等被調量已經出現(xiàn)較大的偏差后才開始動作，那么調節(jié)的效果將會更好，等于賦予調節(jié)器以某種預見性，這種調節(jié)動作稱為微分調節(jié)。單純微分的調節(jié)器是不能工作的，這是因為實際的調節(jié)器都有定的失靈區(qū)，如果被控對象的流入、流出量只相差很少以致被調量只以調節(jié)器不能察覺的速度緩慢變化時，調節(jié)器并不會動作。當時間經過相當長的時間后，被調量偏移卻可以積累到相當大的數(shù)字而得不到校正。這種情況是不被容許的。因此微分調節(jié)只能起輔助的調節(jié)作用，它可以與其它調節(jié)動作結合成PD和PI調節(jié)動作。2.3PID控制的特點事實表

25、明，對于PID這樣簡單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對象，并仍以很高的性價比在市場中占據(jù)著重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品質。概括地講，PID控制的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)原理簡單、結構簡明、實現(xiàn)方便，是種能夠滿足大多實際需要的基本控制器10內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書(2)控制器適用于多種不同的對象，算法在結構具有較強魯棒性。確切地說，在很多情況下其控制品質對被控對象的結構或參數(shù)振動不敏感。但從另方面來講，控制算法的普適性也反映了PID控制器在控制品質的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面：(1)算法結構的簡單性決定了PID控制比較適用于SIS

26、O最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時，需要通過多個PID控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果。(2)算法結構的簡單性同時決定了PID控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要極點； 閉環(huán)特性從根本只是基于動態(tài)特性的低階近似假定的。(3)出于同樣的原因，決定了單PID控制器無法同時滿足對假定設定值控制和伺服/跟蹤控制的不同性能要求。2.4PID參數(shù)整定方法(1)Ziegler-Nichols經驗公式(Z-N公式法)。該方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應曲線，根據(jù)對象的純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經驗公式計算PID參數(shù)。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例

27、度法)。該方法需要做穩(wěn)定邊界實驗，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控對象現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。(3)衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)4:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。然后按照經驗公式確定PID參數(shù)。11內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書12內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書第三章雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計3.1雙容水箱結構圖3.1雙容水箱結構圖水流入量Qi由調節(jié)閥u(FV10D控制，

28、流出量Q由用戶通過負載閥R來改變，被調量為下水箱水位h,分析水位在調節(jié)閥開度擾動下的動態(tài)特性。參數(shù)：對某種型號的水箱，在某平衡點附近，建立其線性化模型，其中各參數(shù)分別為：T1=80s,T2=80s,K1=KuR1=1K2=R2/R1=118s,22s。3.2系統(tǒng)分析兩容器的流出閥均為手動閥門，流量Q只與容器1的液位加有關，與容器2的液位h2無關。容器2的液位也不會影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有非線性方程：Q1a1hi內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書Q2a21h2過程的原始數(shù)據(jù)模型為:令容器1、容器2相應的線性水阻分別為Ri和R2：aiR2也2a

29、2其中10為容器1的初始液位，h20為容器2的初始液位。則有過程傳遞函數(shù)：h2(s)R2Q1(s)A22R2s1hi(s)RQi(s)AiR1si而由式可以推出：Qi(s)hi(s)R因此有：Qi(s)Qi(s)h1(s)iQi(s)hi(s)Qi(s)AiiRis1令時間常數(shù)TiA1iRi和T2A22區(qū)，最終可得該過程的傳遞函數(shù)為：h2(s)h2(s)Qi(s)R2R2，、，、，、Z-ZZ2ZZQi(s)Qi(s)Qi(s)T1s1T2s1TT2sTT2s1可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1,二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當于兩個容器分別獨立時的傳遞

30、函數(shù)相乘，但過程增益為兩個獨立傳遞函數(shù)相乘的i/Ri倍。令Q=ku,對液位h14dV11dtQQidV22dTQiQ2內蒙古科技大學控制系統(tǒng)仿真課程設計說明書控制器：PID;執(zhí)行器：控制閥;干擾信號：在系統(tǒng)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(wěn)定，設計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，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(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論可以達到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾能力。該設計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控

31、制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當水箱有干擾時，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(xiàn)，無論如何調整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果?？紤]到審級15則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為：G（s）駕kRu（s）T1s1T2s1由述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當于兩個具有穩(wěn)定趨勢的階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是個具有自平衡能力的過程。其中時間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應的快慢，時間常數(shù)越小，系統(tǒng)對輸入的反應越快，反之,若時間常數(shù)較大（即容器面積較大） ， 則反應較慢。 由于該過程為兩個階環(huán)節(jié)的串聯(lián)， 過程等效時間常數(shù)Tmax （Ti,T2） ,故總體反應要較單的階環(huán)節(jié)慢的多。因此通?？捎秒A慣性環(huán)