水箱液位控制課程設(shè)計(jì)

1、引言根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，本組成員在2012年5月14日至20日期間， 在冶金館四樓的工業(yè)流程自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期一周的課程設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)。本次課程設(shè)計(jì)，我們組選擇的基本題目是單容水箱液位控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)，提高部分為單容水箱的串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及雙容水箱解耦 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)整整一周的實(shí)驗(yàn)后，我們組在完成了本次課程 設(shè)計(jì)的基本題目，即單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，繼續(xù)完成了 串級(jí)控制系統(tǒng)，并取得了不錯(cuò)的控制效果。本文詳細(xì)記錄了一周內(nèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、結(jié)論。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 及知識(shí)儲(chǔ)備的不足，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中遇到了很多意料之外的問(wèn)題，最后 通過(guò)認(rèn)真分析、查閱資料及咨詢(xún)老師學(xué)長(zhǎng)，也都有了相應(yīng)的解決方案。 對(duì)

2、此，本文也做了相應(yīng)的總結(jié)。全文一共分為介紹部分的序章及實(shí)驗(yàn)部分的四章總結(jié)部分一章。 其中，序章主要介紹了此次課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，第一章介紹了檢測(cè)儀 表的標(biāo)定與調(diào)試及執(zhí)行器的特性測(cè)試;第二章介紹了二號(hào)水箱被控對(duì) 象模型的建立；第三章主要介紹了單容水箱單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 第四章主要介紹了單容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，第三章是基 本的實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容，第四章的串級(jí)控制是提高部分內(nèi)容。最后，本文 總結(jié)了本次課程設(shè)計(jì)的體會(huì)與收獲。本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程，得到了王良勇、潘全科老師及呂閣學(xué)長(zhǎng)的耐 心指導(dǎo)和幫助，在此一并深表感謝!本組所有成員2012年5月16日目錄、序章1.1系統(tǒng)描述本實(shí)驗(yàn)使用多功能過(guò)程控制科研

3、教學(xué)裝置，它主要包括上位機(jī)監(jiān) 控軟件平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)兩部分，液位的給定由上位機(jī)監(jiān)控軟 件給出，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接布脚_(tái)的實(shí)驗(yàn)控制器中，實(shí)際液位信 號(hào)經(jīng)過(guò)液位傳感器進(jìn)行測(cè)量反饋，控制器根據(jù)給定高度和實(shí)際高度的 誤差產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)水泵進(jìn)行控制。1.2硬件平臺(tái)單容水箱液位系統(tǒng)硬件平臺(tái)即多功能過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖所 示：壓力傳感器p1號(hào)水箱43號(hào)溫度傳感1號(hào)液位傳感1號(hào)泄氣閥#蓄水箱z2號(hào)液位開(kāi)關(guān)42號(hào)進(jìn)水2號(hào)泄氣閥3號(hào)流量傳感器22號(hào)水箱2號(hào)液位傳感器Q2號(hào)泄水閥4連通閥3號(hào)旁路閥p多功能過(guò)程控制平臺(tái)具有嵌入式專(zhuān)用控制器，手控盒，四個(gè)溫度 傳感器，三個(gè)流量傳感器，兩個(gè)液位傳感器，一個(gè)壓力

4、傳感器，兩個(gè) 過(guò)程水箱，兩個(gè)水泵，一個(gè)比例閥門(mén)，一個(gè)加熱水箱，一個(gè)蓄水箱和 加熱器以及散熱器和攪拌器等。多功能過(guò)程控制平臺(tái)可以進(jìn)行從簡(jiǎn)單 到復(fù)雜的多種實(shí)驗(yàn)，包括多種溫度控制、壓力控制、液位控制和流量 控制的實(shí)驗(yàn)，并且有很強(qiáng)的易用性。它具有以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制。而且，內(nèi)部的嵌入式專(zhuān)用控制器和MATLAB 軟件具有無(wú)縫接口，可以在Simulink中搭建算法模型，編譯鏈接形 成控制器可讀的文件（dlm）并下載到控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行，不需要底 層代碼的編寫(xiě)，從而大大提高了工作效率。這里對(duì)單容水箱液位系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)的特性予以 簡(jiǎn)單的介紹。（1）檢測(cè)機(jī)構(gòu)：Honeywell

5、的26PC型壓差傳感器壓差型傳感器通過(guò)一定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或按規(guī)定安裝，把壓力前后相 差的變轉(zhuǎn)換傳感器內(nèi)置壓敏原件的變化，再把由壓敏元件形變產(chǎn)生的 微弱輸出信號(hào)進(jìn)行處理調(diào)制或通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和芯片運(yùn)算處理，輸出模 擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)使用Honeywell的26PC型壓差傳感器作為液位傳感器， 根據(jù)水箱內(nèi)水的上下表面壓力差進(jìn)行折算得到相應(yīng)的液位從而進(jìn)行 反饋。26PC差壓傳感器的壓力范圍是1psi，量程14.7mV錯(cuò)誤！未找 到引用源。18.7mV，靈敏度為16.7mV/psi，最大過(guò)壓為20psi。（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合離心泵離心泵之所以能把水送出去是由于離

6、心力的作用。在工作前，水 泵和進(jìn)水管必須灌滿(mǎn)水形成真空狀態(tài)，當(dāng)葉輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片促使水 快速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)著的水在離心力的作用下從葉輪中飛出，泵內(nèi)的水被 拋出后，葉輪中心部分形成真空區(qū)域。水在大氣壓力或水壓的作用下， 通過(guò)水管壓到了進(jìn)水管內(nèi)，這樣循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽水。需要注意 的是，離心泵啟動(dòng)前一定要向泵殼內(nèi)充滿(mǎn)水后，方可啟動(dòng)，否則水泵 產(chǎn)生“空轉(zhuǎn)”，產(chǎn)生震動(dòng)、造成泵體發(fā)熱，無(wú)水流出，對(duì)水泵造成損 壞。本實(shí)驗(yàn)使用TOTTON PUMPS的DC15/5型水泵，其采用磁耦合設(shè)計(jì)， 能夠防止漏液，輸入電壓為12V DC，最大體壓1.4bar，最大容積 15L/min，最大水泵揚(yáng)程為6m，電機(jī)輸出功率2

7、5W，工作溫度-20度 +85 度。1.3上位機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控軟件主要包括兩部分：用于編寫(xiě)控制程序6的MATLAB中的simulink軟件包和用于監(jiān)控作用的EasyControl系列實(shí)驗(yàn)軟件。（1）Simulink 軟件包Simulink軟件包是Math Works公司開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件。Simlink提供了強(qiáng)大的可視化建模功能，可以拖拉軟件包提供的模塊 的方式，快速的建立系統(tǒng)的模型，病對(duì)搭建的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。Simulink可以與MATLAB無(wú)縫連接，所有仿真數(shù)據(jù)可以在MATLAB工 作空間中顯示并調(diào)用，突出了MATLAB分析運(yùn)算的功能，可使得系統(tǒng) 仿真數(shù)據(jù)的分析更加直觀，更加準(zhǔn)確

8、。而且，Simlink中的模塊不僅 具有仿真能力的模塊，還能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真操作，并生成代碼進(jìn)行系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多功能模塊。這樣就直接解決了傳統(tǒng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法帶來(lái)的 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真和系統(tǒng)顯示互相分離的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率， 方便了開(kāi)發(fā)人員的操作。（2）EasyControl實(shí)驗(yàn)軟件介紹EasyControl系列實(shí)驗(yàn)軟件由東大智能公司自主研發(fā)的。該軟件 的特點(diǎn)是可以通過(guò)MATLAB軟件的Simulink工具包完成控制器的搭 建，并快速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)代碼的自動(dòng)產(chǎn)生，使設(shè)計(jì)和改變參數(shù)更加方便、 快速，便于反復(fù)實(shí)驗(yàn)。此外，EasyControl軟件不但可以實(shí)時(shí)的觀察 系統(tǒng)運(yùn)行曲線(xiàn)，并可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行保存和讀取，

9、極大地方便了調(diào)試工 作，提高了效率。EasyControl軟件具有如下的特點(diǎn)：（1）用于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的快速控制原型開(kāi)發(fā)、硬件樣機(jī)在線(xiàn)測(cè)試， 可以有效地縮短開(kāi)發(fā)周期，保證系統(tǒng)柔性；(2)由于可以采用實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)試，應(yīng)用于難以精確數(shù)學(xué)模型的 系統(tǒng)，可以降低建模和控制器的設(shè)計(jì)難度；與MATLAB系統(tǒng)的無(wú)縫集成，便于開(kāi)發(fā)者使用MATLAB中的 各種先進(jìn)算法；該軟件通過(guò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的集成性，可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制， 遠(yuǎn)程設(shè)置控制方案，便于調(diào)試和升級(jí)。:、傳感器及執(zhí)行器參數(shù)整定2.1壓差傳感器的參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)中需要整定二號(hào)水箱液位傳感器的參數(shù)。液位傳感器采用壓 差式液位傳感器，輸入量為壓差傳感器測(cè)定值（單位nv

10、），輸出量應(yīng) 為水箱實(shí)際液位（單位cm）。其輸入輸出為線(xiàn)性關(guān)系：y = kx + b通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)k，b進(jìn)行整定。實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉二號(hào)水箱的出水閥門(mén)，手動(dòng)給水箱加水，通過(guò) simulink編程，且輸出端加濾波，可以得到不同水位時(shí)壓差傳感器 輸出的電壓值，程序如圖1-1所示：M ptE n a b I erui pir i iji.njzTmnspc-rtDelayGainGsinlfl 3圖1-1壓力傳感器參數(shù)整定編程實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1.1所示:h （cm）01234U（mV）0.3250.4000.4750.5550.630h （cm）56789U（mV）0.7030.7760.850.921.0h （

11、cm）1011121416U（mV）1.0751.1481.221.361.51h （cm）18U（mV）1.65表1.1壓力傳感器測(cè)試結(jié)果由最小二乘法擬合，擬合曲線(xiàn)如圖1-2所示:x=1.65 1.51 1.36 1.22 1.148 1.075 1.0 0.92 0.85 0.776 0.7030.630 0.555 0.475 0.400 0.325; y=18 16 14 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0; f=inline(a(1)*x+a(2),a,x); xx,res=lsqcurvefit(f,1,1,x,y)Optimization terminate

12、d: first-order optimality less thanOPTIONS.TolFun,and no negative/zero curvature detected in trust region model.xx =13.5602-4.4962res =0.0588 y1=13.5602*x-4.4962; plot(x,y);hold on;plot(x,y1) 18-2l0.216 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -0.40.60.81.21.41.61.8通過(guò)最小二乘法擬合得到：k=13.5602b=-4.4962故二號(hào)水箱壓差式液位傳感器輸入輸出關(guān)系為:y =

13、 13.5602 - 4.49622.2水泵占空比到流量的參數(shù)整定水泵占空比到電壓為比例關(guān)系=。電壓到流量為一階慣性環(huán) 節(jié)，由于電機(jī)慣性較小，可以近似為比例環(huán)節(jié)。于是，水泵占空比到 流量可近似認(rèn)為是比例關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)水泵占空比到流量的比例系 數(shù)進(jìn)行整定。打開(kāi)二號(hào)水箱進(jìn)水出水閥門(mén)，應(yīng)用simulink編程如圖1-4所示:圖1-4所示水泵占空比到流量整定程序通過(guò)給定不同的占空比時(shí)流量傳感器測(cè)得的流量，可以得到占空 比與流量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.2所示。PWM（%）3540424446q（L/min）10.851.451.61.81.95PWM（%）4850525456q（L/min）12.12

14、2.32.442.572.75PWM（%）5860626466q1（L/min）2.93.083.243.373.5表1.2占空比到流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由最小二乘發(fā)擬合，擬合曲線(xiàn)如圖1-5所示x=0.35 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66; y=0.85 1.45 1.6 1.8 1.95 2.12 2.3 2.44 2.57 2.75 2.9 3.083.24 3.37 3.5; f=inline(a(1)*x+a(2),a,x); xx,res=lsqcurvefit(f,1,1,x,y)Op

15、timization terminated: first-order optimality less thanOPTIONS.TolFun,and no negative/zero curvature detected in trust region model.xx =8.2625-1.8853res =0.0405 y1=8.2625*x-1.8853; plot(x,y);hold on;plot(x,y1)Q 511111110.350.40.450.50.550.60.650.7通過(guò)最小二乘法擬合得到：k= 8.2625b=-1.8853故水泵占空比到流量輸入輸出關(guān)系為：y = 8.

16、2625 x - 1.88532.3流量傳感器參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)用流量傳感器為GEMS流量傳感器，通過(guò)累計(jì)流過(guò)液體體積 的脈沖信號(hào)，計(jì)算得到液體流量，傳感器單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖值經(jīng) 過(guò)轉(zhuǎn)換可以得到液體的流量值。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖值為1，n 錯(cuò)誤！未找到引用源。7.5/575即是單位時(shí)間內(nèi)液體的流量(L/min)，由simulink編程，且在輸出處增加濾波器減少紋波，程序如圖1-3所示：T ransport Delay三、被控對(duì)象模型建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性），是指過(guò)程在各輸入量（包括 控制量與擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的 數(shù)學(xué)表達(dá)式。建模的基本方法包括：一、機(jī)理分

17、析方法建模。二、 試驗(yàn)建模，即建立輸入輸出模型，根據(jù)輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某 種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。三、混合建模方法，把過(guò)程機(jī)理和輸入輸 出數(shù)據(jù)結(jié)合建模的方法。在建模的過(guò)程中我們采用了機(jī)理建模法與階躍響應(yīng)曲線(xiàn)法兩種建 模方法對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行建模。3.1機(jī)理建模的建立機(jī)理建模方法機(jī)理分析方法建模，即根據(jù)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理（運(yùn)動(dòng)規(guī)律）運(yùn)用 一些已知的定律、原理，如：物料平衡方程，能量平衡方程、傳熱傳 質(zhì)原理等，建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。被控對(duì)象模型建立對(duì)單容水箱進(jìn)行模型的建立，通過(guò)分析我們可以得知，要想 維持水箱內(nèi)液位的穩(wěn)定，就要使水箱的進(jìn)水量與出水量達(dá)到平衡。根 據(jù)這一原則，我們有：輸入：進(jìn)水量為q1輸

18、出：水箱液位h某一時(shí)刻，單容水箱的入水量與出水量的差值即為水箱內(nèi)儲(chǔ)水量 的變化。假設(shè)Qx為入水流量q2為出水流量，A為水箱橫截面積，h為液位， 根據(jù)物料平衡原理，錯(cuò)誤！未找到引用源。由流體力學(xué)可知，流體在紊亂情況下，液位與流量之間的非線(xiàn)性關(guān)系如下，其中k為泄水閥流量系數(shù)：（2）將式（2）帶入（1）得到被控對(duì)象模型：錯(cuò)誤！未找到引用源。（3）由式（3）可知系統(tǒng)具有非線(xiàn)性，令錯(cuò)誤！未找到引用源。則錯(cuò)誤！ 未找到引用源。在平衡點(diǎn)（錯(cuò)誤！未找到引用源。）處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展 開(kāi)，并忽略高階項(xiàng)得到：dh_ = ffKqJ = f（hOf - （h 垸）+ 尸（Qi - qj其中#_ k _ Qi 1_ Qi

19、 陽(yáng)及土任二電 2A7h七瓦2%瓦2Aho由此， TOC o 1-5 h z 取錯(cuò)誤！未找到引用源。ku =（ q - q），y = h - h，液位穩(wěn)定時(shí) iii0q = q，因此錯(cuò)誤！未找到引用源。r = 2y其中q = k p由此得：12q112dy 11=k-.udt A 1 RA進(jìn)行拉普拉斯變換，整理得到:u(s) ARs + 1通過(guò)分析，我們可以知道水箱的模型可以簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)， 這樣我們就可以將非線(xiàn)性的系統(tǒng)近似線(xiàn)性化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)的 參數(shù)定義液阻R，表示產(chǎn)生單位流量變化所必須的液位差的變化量， 即錯(cuò)誤！未找到引用源。由式（2）可以得到：dh 27 h 2 hdq k q

20、因此：2hR=平衡點(diǎn)處液位穩(wěn)定，輸入流量等于輸出流量，B錯(cuò)誤！未找到引 用源。，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，錯(cuò)誤！未找到引用源。歹廠(chǎng)22L/min，h=8cm，q 1 q 2 右.右，/ mm帶入式 d = 2 司=也得 R=0.436/(cm4s)。dq k q根據(jù)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)相關(guān)系數(shù)k1 =8.2625水箱截面積的計(jì)算：測(cè)得水箱的直徑為7凱A= 3 彳=1S3沁二】手，代入得到單容水箱傳遞函數(shù)為3.6w (s)=67.08 s+ 1這就是被控對(duì)象的機(jī)理模型。3.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕㈦A躍響應(yīng)辨識(shí)模型參數(shù)經(jīng)典的參數(shù)辨識(shí)的方法包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng) 法等。單容水箱的液位控制器設(shè)計(jì)模型可以近似為一階慣性環(huán)

21、節(jié)，對(duì) 于一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為錯(cuò)誤！未找到引用源。，其中K為開(kāi) 環(huán)增益，T為過(guò)程時(shí)間常數(shù)，建立控制器設(shè)計(jì)模型需要對(duì)這兩個(gè)參數(shù) 進(jìn)行辨識(shí)。階躍響應(yīng)辨識(shí)方法根據(jù)觀察階躍響應(yīng)曲線(xiàn)得到系統(tǒng)參數(shù) 與T。被控對(duì)象模型組成分析被控對(duì)象模型是從水泵PWM占空比到液位的過(guò)程，包括三部分：PWM到電機(jī)給定電壓U，U到入水流量錯(cuò)誤！未找到引用源。及錯(cuò)誤!水泵PWM占空比到入水流量41的模型此環(huán)節(jié)近似為一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為:W 0(s) = 0T 0 s + 1辨識(shí)時(shí)用到的simulink程序如圖2-1Mpth.-ID子模塊:圖2-1T ransportDe | ay實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先給一個(gè)40%的占空比，此時(shí)流

22、量穩(wěn)定在1.54L/min, 給占空比一個(gè)階躍變化，占空比變?yōu)?0%，此時(shí)流量穩(wěn)定在2.5L/min.階躍曲線(xiàn)如圖：/ 0放大系數(shù)：K 0 =A xy (8 ) - y (0)2.5 - 1.54= 0.09610時(shí)間常數(shù)：1此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù):0.096s + 1入水流量q1到液位h的模型入水流量到液位的過(guò)程在平衡點(diǎn)處近似為一階慣性環(huán)節(jié)其傳遞函數(shù)為：W 1( s) = 1T1 s + 1辨識(shí)時(shí)用到的simulink程序如圖2-3N.d ptE n a b I eC o nsta nt實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先給一個(gè)2.1L/min的流量，此時(shí)液位穩(wěn)定在6cm ,給 流量一個(gè)階躍變化，占空比變?yōu)?.5L/mi

23、n，此時(shí)液位穩(wěn)定在16cm. 階躍曲線(xiàn)如圖：250 s + 1四、單回路液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4.1控制目標(biāo)設(shè)計(jì)的單回路液位控制控制系統(tǒng)，應(yīng)達(dá)到以下控制目標(biāo)：（1）具有良好的靜態(tài)特性：穩(wěn)定時(shí)液位保持在8cm處，且無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差（2） 具有良好的動(dòng)態(tài)特性：超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。（3） 具有良好的跟隨特性。（4） 具有良好的抗干擾性能:能夠通過(guò)調(diào)節(jié)消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng) 的影響4.2單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用PID控制器，為了保持液位穩(wěn)定，引入液位閉環(huán)負(fù)反饋。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.3控制器設(shè)計(jì)控制器參數(shù)整定方法采用PI控制器進(jìn)行液位控制。PI控制器的傳遞函數(shù)為G (s)=

24、 k + 利用直接綜合法設(shè)計(jì)PI控制器。直接綜合法就是利用期望的閉 環(huán)傳遞函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)PID控制器的一種方法。單容水箱液位控制系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示：K(s)圖3-3單容水箱液位控制系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:y (s) G (s) W (s) TOC o 1-5 h z G(s) =T0-0r (s)1 + G (s) W (s)c0其中Wo（s）為實(shí)際被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為錯(cuò)誤！未找到引用源。，整理得：氣。)=w J G)od4.3.2 PID參數(shù)整定水泵PWM占空比到流量小模型傳遞函數(shù)為:0.096W Vs)= 1 s + 1入水流量到液位的傳遞函數(shù)為:W

25、 (s )=25250 s +1由于錯(cuò)誤！未找到引用源。時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于錯(cuò)誤！未找到引用源。時(shí)間常數(shù)，故水泵PWM占空比到流量g可近似為比例環(huán)節(jié)，由此得到 單回路單容水箱被控對(duì)象的控制器設(shè)計(jì)模型為：252.4W (s)= 0.096 x=250 s + 1250 s + 1為了得到較快且穩(wěn)定的液位動(dòng)態(tài)響應(yīng)，選定期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：。廣理論上閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)閉環(huán)極點(diǎn) = -0.2在負(fù)實(shí)軸，因此閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn) 定。再利用前面階躍辨識(shí)近似后得到的數(shù)學(xué)模型，(s)，用直接綜合 法求得:0.0833G (s)= 20.833 +cs于是得到:k = 20.833,k = 0.0833 ;4.4單回路控制

26、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)單回路控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)搭建仿真根據(jù)兩個(gè)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)得出的被控對(duì)象模型及整定的PID參數(shù)，程序如圖3-4，其參數(shù)設(shè)置與機(jī)理模型參數(shù)一致。GaifilMstfi調(diào)節(jié)時(shí)間在230s左右穩(wěn)定，且無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差單回路控制系統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)搭建simulink程序如圖3-6所示：h.1 ptEnable C : nstantM ptE nable圖3-6單回路控制系統(tǒng)程序在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行試湊調(diào)整，以得到最佳控制 效果。試湊整定后得到:k =0.08實(shí)際控制結(jié)果如圖3-7所示:EasyControl Rl.0文件視圖實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)控制器圖形工具箱分析工具箱系統(tǒng)配置外觀幫助曲線(xiàn)Level 2Level

27、2坐標(biāo)范圍存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量刷新頻率顯示數(shù)值曲魏保存15.014.S14.013.513.012.512.011.511.010.510.09.59.08.58.0 raO) 75CO7.06.56.05.5S.O4.54.03.53.02.52.01.51.0日回區(qū)) 4 二第 ELeve 一口 一 3，S一gnalmxplorer Key 一 一 3 MMELT2 一-450-400-350-300-250-200-150-100-50050100150200250300350400450500TimeLevel 2 目標(biāo)機(jī)狀態(tài)圖昌綽單回路!控制結(jié)果L執(zhí)行時(shí)間：52L5S，中。,，日,呵 MATL

28、AB 7. 7.0 (R. MATLAB 7. 7.0 (R. EasyControl R1.0弓 zj *勺 14:29從單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論如下：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)幾乎沒(méi)有超調(diào)，仿真結(jié)果一致。調(diào)節(jié)時(shí)間較短，為20s左右。無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。單回路控制系統(tǒng)跟隨實(shí)驗(yàn)對(duì)上述控制系統(tǒng)，待液位穩(wěn)定后，目標(biāo)值由8cm改為10cm，實(shí)驗(yàn)控制效果如圖3-8所示：| -Level2|圖3-8單回路跟隨實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果從跟隨實(shí)驗(yàn)可以看出，單回路系統(tǒng)具有較好的跟隨特性。單回路控制系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)單回路控制系統(tǒng)在：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后在140s時(shí)給水泵 一個(gè)十?dāng)_，當(dāng)系統(tǒng)再次達(dá)到穩(wěn)定后在250s時(shí)再給水箱連通閥

29、一個(gè)擾 動(dòng)由圖示信號(hào)分析可知，單回路的抗十?dāng)_能力不夠強(qiáng)，當(dāng)有擾動(dòng)作用于 穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的波動(dòng)比較大，且短時(shí)間不能恢復(fù)到設(shè)定值。4.5單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方案問(wèn)題：按計(jì)算出的PID參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差較大，控制效果不佳原因分析：可能是因?yàn)橥ㄟ^(guò)辨識(shí)得到的被控對(duì)象模型不準(zhǔn)確 解決方案：通過(guò)在線(xiàn)調(diào)參，加大錯(cuò)誤！未找到引用源。值，適當(dāng)調(diào)節(jié)k，最終整定 K=21, K =0.08。 pp14.6總結(jié)通過(guò)上述單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)節(jié)時(shí)間較短(25s左右)，且沒(méi)有超調(diào)量。單回路系統(tǒng)具有跟隨給定的特性。單回路控制系統(tǒng)具有抗干擾性能，但效

30、果不太理想，調(diào)節(jié)時(shí)間偏長(zhǎng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整。在對(duì)系統(tǒng)抗干擾性要求不高的情況下，采用PID控制器的單回路 閉環(huán)系統(tǒng)是可以滿(mǎn)足需要的。五、串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)5.1控制目標(biāo)串級(jí)控制比單回路控制具有更好的抗干擾性能，特別是對(duì)副回路的擾動(dòng)能及時(shí)消除，這也是考慮設(shè)計(jì)串級(jí)控制的主要原因。水箱串級(jí)控制的目標(biāo)為：具有良好的靜態(tài)特性：液位穩(wěn)定在8cm且無(wú)穩(wěn)態(tài)靜差。具有良好的動(dòng)態(tài)特性：超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。（3）具有良好的跟隨特性。（4）具有良好的抗干擾性能，特別是對(duì)流量的擾動(dòng)能及時(shí)消除。5.2串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)相比，具有兩個(gè)被控量，兩個(gè)被 控過(guò)程，兩個(gè)控制器，兩個(gè)檢測(cè)元件

31、變送器，兩個(gè)閉合回路，一個(gè)執(zhí) 行器，而且副回路盡可能包含多的干擾。由于考慮到本實(shí)驗(yàn)主要干擾 為流量不穩(wěn)定引起的干擾，因此把副回路設(shè)計(jì)為流量閉環(huán)。于是具體 到本水箱實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)被控量：液位（主被控量）與流量（副被控量）兩個(gè)被控過(guò)程：液位穩(wěn)定過(guò)程（主被控過(guò)程）與流量穩(wěn)定過(guò)程（副 被控過(guò)程）兩個(gè)控制器：液位控制器（主控制器）與流量控制器（副控制器）兩個(gè)檢測(cè)元件變送器：壓差式液位傳感器與流量傳感器兩個(gè)閉環(huán)回路：液位閉環(huán)（主回路）與流量閉環(huán)（副回路）執(zhí)行器：水泵。搭建的simulink模塊如圖4-1所示：Con st anti圖4-1串級(jí)控制系統(tǒng)程序5.3控制器PID參數(shù)整定根據(jù)設(shè)計(jì)的串級(jí)控制系統(tǒng)，整定主

32、副兩個(gè)控制器的PID參數(shù)。串級(jí)控制系統(tǒng)要求主回路起定值細(xì)調(diào)作用，副回路起快速粗調(diào)作 用，這也是串級(jí)控制主副回路設(shè)計(jì)的基本原則。根據(jù)這個(gè)原則，副回 路時(shí)間常數(shù)應(yīng)比主回路時(shí)間常數(shù)小得多。設(shè)主回路時(shí)間常數(shù)為錯(cuò)誤！未找到引用源。，副回路時(shí)間常數(shù)為T(mén) 2,則T /T廣310左右。取T廣5，T廣0.5副控制器PID參數(shù)整定由于流量到液位的階躍辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)通過(guò)一個(gè)流量閉環(huán)將流 量穩(wěn)定，且在此辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中期望的閉環(huán)時(shí)間常數(shù)為0.5，故在此直接應(yīng)用上述辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中中的PID參數(shù)，即氣 6 = wo3ood主控制器PID參數(shù)整定將副回路傳遞函數(shù)用副回路等效期望閉環(huán)傳遞函數(shù)代替，主被控 對(duì)象模型已通過(guò)流量到液位階躍

33、辨識(shí)實(shí)驗(yàn)得出。兩者串連關(guān)系，將兩 者相乘，即得到總的被控對(duì)象模型。設(shè)W (s)為副回路等效期望閉環(huán)傳遞函數(shù)，W (s)為主被控對(duì)象模型，w(s)為總的被控對(duì)象模型。則：2125W (s ) = W (s ) X W (s ) = 051 X 2501由于0.5s + 1遠(yuǎn)小于2250 s + 1，故將W(s)近似為1，于是得到錯(cuò)誤!未找到引用源。如下：w (s) = 25設(shè)置主回路期望傳遞函數(shù)為1250 s + 1W (s)=5 s + 1用單回路設(shè)計(jì)PID參數(shù)時(shí)用到的直接綜合法求出主回ID參數(shù):W ( s )W (s )(1 - w (s)0.008W (s) = 2 +得出:故：k 主=2

34、，k 主=0.0085.4串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行試湊調(diào)整，以得到最佳控 制效果。試湊整定后副控制器PID參數(shù)為：錯(cuò)誤！未找到引用源。=17,匚三=0.05試湊整定后主控制器PID參數(shù)為：錯(cuò)誤！未找到引用源。=9,錯(cuò)誤！未找到引用源。=0.02實(shí)際控制結(jié)果如圖4-4：從串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論如下：串級(jí)控制系統(tǒng)具有2.5%左右的超調(diào)量，與仿真結(jié)果一致。調(diào)節(jié)時(shí)間較短，為25s左右。無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。串級(jí)控制系統(tǒng)跟隨實(shí)驗(yàn)跟隨實(shí)驗(yàn)主副控制器PID參數(shù)與上述實(shí)驗(yàn)一致，在穩(wěn)定后將給定 值從8cm改到10cm,待穩(wěn)定了以后再給5cm的設(shè)定值，實(shí)驗(yàn)控制效果 為下圖4-5所示：圖4-5串級(jí)控制系統(tǒng)跟隨實(shí)驗(yàn)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)比單回路控制系統(tǒng)最主要優(yōu)勢(shì)是抗十?dāng)_性能特 別好，能及時(shí)消除副回路的擾動(dòng)。具體到本實(shí)驗(yàn)，采用串級(jí)控制系統(tǒng) 能及時(shí)消除因電壓變化、水泵發(fā)熱等原因引起的流量變化擾動(dòng)，使系 統(tǒng)具有好得多的抗十?dāng)_特