雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...長(zhǎng)春大學(xué)過程控制實(shí)習(xí)報(bào)告題目名稱雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院〔系〕電子信息工程學(xué)院專業(yè)〔班級(jí)〕自動(dòng)化13403學(xué)生姓名張華挺指導(dǎo)教師程廣亮起止日期2016.06.01——2016.06.07雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[摘要]該實(shí)驗(yàn)裝置采用A3000過程控制裝置,采用串級(jí)控制的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱中下水箱液位的控制,并且通過Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展仿真,通過組態(tài)王將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)在設(shè)備上進(jìn)展調(diào)試。在此次設(shè)計(jì)中，利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)展分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,串級(jí)控制的內(nèi)回路能夠有效地抑制二次擾動(dòng)的影響,可以加大主控制器的增益,從而對(duì)控制難度大的二階對(duì)象進(jìn)展有效控制。[關(guān)鍵詞]控制系統(tǒng)仿真串級(jí)控制Designofcascadecontrolsystemforliquidlevelofdoubletank[Abstract]TheexperimentaldevicetheA3000processcontroldevice,theuseofcascadecontrolmethodtoachievethedualcapacitywatertankofthelowertanklevelcontrol,andthroughtheMATLABsystemsimulation,byKingviewtodesigngoodsystemdebuggingonthedevice.Inthisdesign,theuseofautomaticinstrumenttechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnologytoachievethelevelofwatertankcascadecontrol.Themodelofthecontrolledobjectisanalyzed,andthetransferfunctionofthemodelisobtainedbytheexperimentalmodelingmethod.Theexperimentalresultsshowthatthecascadecontroloftheinnerloopcaneffectivelyovercometheinfluenceofthetwodisturbance,andcanincreasethegainofthemaincontroller,soastoeffectivelycontrolthetwostageofthecontroldifficulty.[Keywords]controlsimulationcascadecontrol目錄第1章緒論11.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1第2章液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)22.1串級(jí)控制系統(tǒng)的組成22.1串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)22.1.1主回路的設(shè)計(jì)22.1.2副回路的設(shè)計(jì)32.1.3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇32.2

PID控制原理3第3章控制系統(tǒng)的仿真43.1單回路控制系統(tǒng)的仿真4第4章系統(tǒng)過程流圖8第5章結(jié)論9第6章致謝10第1章緒論液位是工業(yè)生產(chǎn)過程中很重要的被控變量。在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)兩個(gè)控制器都有各自的測(cè)量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號(hào)送給被控對(duì)象，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。控制器的輸出用來改變另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這樣連接起來的兩個(gè)控制器件稱為串級(jí)控制器。這次仿真系統(tǒng)的雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)如以以下圖所示：圖1-1系統(tǒng)構(gòu)造框圖第2章液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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)過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無(wú)法得到滿意的效果。所以應(yīng)該及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反響，檢測(cè)上水箱液位，將液位信號(hào)送至副控制器，繞后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的組成1.主、副回路：從串級(jí)控制系統(tǒng)的框圖可以看到，系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路。內(nèi)部的閉合后路稱為〔副環(huán)〕；外部的閉合回路稱為主回路〔主環(huán)〕。2.主、副控制器：處于主回路中的控制器稱為主控制器；處于副回路中的控制器稱為副控制器。3.主、副被控變量：主回路的被控制變量稱為主被控變量〔主變量〕；副回路的被控變量稱為副被控變量〔副變量〕。主被控變量也可以理解為起主導(dǎo)作用的被控變量；而副被控變量是為穩(wěn)定主被控變量而引入的中間輔助變量。4.主、副對(duì)象：主回路所包括的對(duì)象稱為主對(duì)象；副回路所包括的對(duì)象稱為副對(duì)象。5.主、副檢測(cè)變送器：檢測(cè)和變送主變量的稱為主檢測(cè)變送器；檢測(cè)和變送副變量的稱為副檢測(cè)變送器。主控制器的輸入是由工藝給定的，通常是一個(gè)定值，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；而副控制器的設(shè)定值是由主控制器的輸出提供，它隨主控制器輸出的變化而變化，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設(shè)計(jì)和主、副控制器的正、反作用方式確實(shí)定等。2.1.1主回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原那么進(jìn)展設(shè)計(jì)。主變量〔操縱量〕的選擇原那么與單回路控制系統(tǒng)的選擇原那么一致，即選擇直接或間接地反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制目的的參數(shù)作主為主變量。2.1.2副回路的設(shè)計(jì)副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。首先是要從被控制對(duì)象的多個(gè)變量中選擇一個(gè)變量作為副變量。2.1.3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無(wú)靜差。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數(shù)，液位流量為控制變量。所以，選擇PID調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了抑制主要干擾對(duì)主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。2.2PID控制原理在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖2.1PID控制基本原理第3章控制系統(tǒng)的仿真3.1單回路控制系統(tǒng)的仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，下面根據(jù)前文的水箱模擬傳遞函數(shù)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)展仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。階躍響應(yīng)性能圖3.1為SIMULINK仿真圖在時(shí)間為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)參加大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60TI=50TD=3;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。圖3.2為MATLAB參加副回路仿真曲線圖3.3MATLAB不參加副回路仿真曲線3.4SIMULINK仿真框圖維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中參加擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線.在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路參加階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)。控制器參數(shù)不變。圖3.6MATLAB不參加副回路仿真曲線綜上可知，選擇串級(jí)PID控制的設(shè)計(jì)方案完成對(duì)水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的.而且在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面與非串級(jí)控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必須綜合考慮各方面的因素，不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。第4章系統(tǒng)過程流圖第5章結(jié)論控制器工作方式為正作用。輸入增大時(shí)，輸出趨向越大。通過測(cè)量位置信號(hào)的采樣反響，與給定值相比較，調(diào)節(jié)偏差。根據(jù)PID控制的特性再調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)到達(dá)較滿意的狀態(tài)。加階躍信號(hào)后觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時(shí)間Td=90s,峰值時(shí)間Tp=170s,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=700s,超調(diào)量為19%(最大峰值85.7mm)，,衰減比3：1。通過增加比例系數(shù)抑制擾動(dòng)，但比例系數(shù)的加大會(huì)使上升速度加快，曲線變陡，造成調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度的加大，引起被調(diào)量的來回波動(dòng)。參加適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?，可以使系統(tǒng)超調(diào)減小，但參加過大微分作用，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，陷入振蕩中。在計(jì)算機(jī)中改變PID參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥不能很快動(dòng)作，特別是在上升到接近階躍輸入設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥輸出值減少過慢，使液位超過設(shè)定值后仍在上升會(huì)造成超調(diào)增大。第6章致謝在這次課程設(shè)計(jì)中，不但培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力，也讓我們發(fā)現(xiàn)了自身的許多缺乏，得以及時(shí)加以改正，不斷提高自己。同時(shí)也促進(jìn)了我與其他同學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，共同探討，共同前進(jìn)的精神，使小組成員的友誼和默契，并且共同學(xué)到了十分有用又實(shí)際的知識(shí)，加深了我們對(duì)于專業(yè)課程的應(yīng)用和理解，將理論與實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)也提高了我分析問題和解決問題的能力，使我對(duì)電器元件與專業(yè)知識(shí)有了更加深刻的理解，打好了日后學(xué)習(xí)電工技術(shù)課的根基，還有，這個(gè)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)了我與其他同學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，共同探討，共同前進(jìn)的精神，它不但培養(yǎng)了我們的動(dòng)手能力，也讓我們發(fā)現(xiàn)了自身的許多缺乏，得以及時(shí)加以改正，不斷提高自己。在設(shè)計(jì)中使用了相關(guān)系統(tǒng)軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)展分析和建模。特別是利用SIMULINK工具箱可以便捷地對(duì)不同的控制系統(tǒng)進(jìn)展仿真，通過對(duì)PID控制的仿真，可以清楚的比較不同控制方案的優(yōu)劣，對(duì)在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題在計(jì)算機(jī)中進(jìn)展模擬，使對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案更加明確。在組建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用了MCGS組態(tài)軟件對(duì)我來說，這無(wú)疑是一門新的學(xué)問，既是一種挑戰(zhàn)，也使我學(xué)到了很多有使用價(jià)值的知識(shí)。最后，十分感謝指導(dǎo)教師的細(xì)心講解，感謝小組成員的包容