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文檔簡介
1、<p><b> 引言</b></p><p> 根據(jù)課程設(shè)計要求,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)流程自動化實驗室進行了為期一周的課程設(shè)計實驗。</p><p> 本次課程設(shè)計,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,提高部分為單容水箱的串級控制系統(tǒng)的設(shè)計及雙容水箱解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計。經(jīng)過整整一周的實驗后,我們
2、組在完成了本次課程設(shè)計的基本題目,即單容水箱液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計后,繼續(xù)完成了串級控制系統(tǒng),并取得了不錯的控制效果。</p><p> 本文詳細記錄了一周內(nèi)的實驗內(nèi)容、結(jié)論。同時,由于設(shè)計經(jīng)驗及知識儲備的不足,我們在實驗中遇到了很多意料之外的問題,最后通過認真分析、查閱資料及咨詢老師學(xué)長,也都有了相應(yīng)的解決方案。對此,本文也做了相應(yīng)的總結(jié)。</p><p> 全文一共分為介紹部分的序章
3、及實驗部分的四章總結(jié)部分一章。其中,序章主要介紹了此次課程設(shè)計實驗系統(tǒng),第一章介紹了檢測儀表的標定與調(diào)試及執(zhí)行器的特性測試;第二章介紹了二號水箱被控對象模型的建立;第三章主要介紹了單容水箱單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計;第四章主要介紹了單容水箱串級控制系統(tǒng)的設(shè)計。其中,第三章是基本的實驗要求內(nèi)容,第四章的串級控制是提高部分內(nèi)容。最后,本文總結(jié)了本次課程設(shè)計的體會與收獲。</p><p> 本次課程設(shè)計過程,得到了王良勇、
4、潘全科老師及呂閣學(xué)長的耐心指導(dǎo)和幫助,在此一并深表感謝!</p><p><b> 目錄</b></p><p><b> 一、序章</b></p><p><b> 1.1 系統(tǒng)描述</b></p><p> 本實驗使用多功能過程控制科研教學(xué)裝置,它主要包括上位機監(jiān)控
5、軟件平臺和實驗系統(tǒng)硬件平臺兩部分,液位的給定由上位機監(jiān)控軟件給出,通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接布脚_的實驗控制器中,實際液位信號經(jīng)過液位傳感器進行測量反饋,控制器根據(jù)給定高度和實際高度的誤差產(chǎn)生控制信號,對水泵進行控制。</p><p><b> 1.2 硬件平臺</b></p><p> 單容水箱液位系統(tǒng)硬件平臺即多功能過程控制實驗平臺,如圖所示:</p>
6、<p> 多功能過程控制平臺具有嵌入式專用控制器,手控盒,四個溫度傳感器,三個流量傳感器,兩個液位傳感器,一個壓力傳感器,兩個過程水箱,兩個水泵,一個比例閥門,一個加熱水箱,一個蓄水箱和加熱器以及散熱器和攪拌器等。多功能過程控制平臺可以進行從簡單到復(fù)雜的多種實驗,包括多種溫度控制、壓力控制、液位控制和流量控制的實驗,并且有很強的易用性。它具有以太網(wǎng)接口,可實現(xiàn)實時計算機網(wǎng)絡(luò)化遠程控制。而且,內(nèi)部的嵌入式專用控制器和MATL
7、AB軟件具有無縫接口,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時運行,不需要底層代碼的編寫,從而大大提高了工作效率。</p><p> 這里對單容水箱液位系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)和檢測機構(gòu)的特性予以簡單的介紹。</p><p> 檢測機構(gòu):Honeywell的26PC型壓差傳感器 </p><p&
8、gt; 壓差型傳感器通過一定的設(shè)計結(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)生的微弱輸出信號進行處理調(diào)制或通過數(shù)模轉(zhuǎn)換和芯片運算處理,輸出模擬信號或數(shù)字信號。</p><p> 本實驗使用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行折算得到相應(yīng)的液位從而進行反饋。26PC差壓傳感器的壓力范圍是1psi,量程14.7mV 1
9、8.7mV,靈敏度為16.7mV/psi,最大過壓為20psi。</p><p> 執(zhí)行機構(gòu):TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合離心泵</p><p> 離心泵之所以能把水送出去是由于離心力的作用。在工作前,水泵和進水管必須灌滿水形成真空狀態(tài),當葉輪快速轉(zhuǎn)動,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
10、或水壓的作用下,通過水管壓到了進水管內(nèi),這樣循環(huán)就可以實現(xiàn)連續(xù)抽水。需要注意的是,離心泵啟動前一定要向泵殼內(nèi)充滿水后,方可啟動,否則水泵產(chǎn)生“空轉(zhuǎn)”,產(chǎn)生震動、造成泵體發(fā)熱,無水流出,對水泵造成損壞。</p><p> 本實驗使用TOTTON PUMPS的DC15/5型水泵,其采用磁耦合設(shè)計,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,最大水泵揚程為6m,電機輸出功率25
11、W,工作溫度-20度~+85度。</p><p> 1.3 上位機監(jiān)控軟件平臺</p><p> 上位機監(jiān)控軟件主要包括兩部分:用于編寫控制程序的MATLAB中的simulink軟件包和用于監(jiān)控作用的EasyControl系列實驗軟件。</p><p> ?。?)Simulink軟件包</p><p> Simulink軟件包是Math
12、 Works公司開發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件。Simlink提供了強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,病對搭建的系統(tǒng)模型進行仿真。Simulink可以與MATLAB無縫連接,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,更加準確。而且,Simlink中的模塊不僅具有仿真能力的模塊,還能夠進行系統(tǒng)仿真操作,并生成代碼進行系統(tǒng)實現(xiàn)的多功能
13、模塊。這樣就直接解決了傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)方法帶來的系統(tǒng)設(shè)計仿真和系統(tǒng)顯示互相分離的問題,提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率,方便了開發(fā)人員的操作。</p><p> ?。?)EasyControl實驗軟件介紹</p><p> EasyControl系列實驗軟件由東大智能公司自主研發(fā)的。該軟件的特點是可以通過MATLAB軟件的Simulink工具包完成控制器的搭建,并快速實現(xiàn)實時代碼的自動產(chǎn)生,使設(shè)計和改
14、變參數(shù)更加方便、快速,便于反復(fù)實驗。此外,EasyControl軟件不但可以實時的觀察系統(tǒng)運行曲線,并可以對參數(shù)進行保存和讀取,極大地方便了調(diào)試工作,提高了效率。</p><p> EasyControl軟件具有如下的特點:</p><p> (1)用于開放式結(jié)構(gòu)的快速控制原型開發(fā)、硬件樣機在線測試,可以有效地縮短開發(fā)周期,保證系統(tǒng)柔性;</p><p> ?。?/p>
15、2)由于可以采用實時在線測試,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)計難度;</p><p> ?。?)與MATLAB系統(tǒng)的無縫集成,便于開發(fā)者使用MATLAB中的各種先進算法;</p><p> ?。?)該軟件通過與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的集成性,可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制,遠程設(shè)置控制方案,便于調(diào)試和升級。</p><p> 二、傳感器及執(zhí)行器參數(shù)整定<
16、/p><p> 2.1 壓差傳感器的參數(shù)整定</p><p> 實驗中需要整定二號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定值(單位mv),輸出量應(yīng)為水箱實際液位(單位cm)。其輸入輸出為線性關(guān)系:</p><p> 通過實驗對,進行整定。</p><p> 實驗時,關(guān)閉二號水箱的出水閥門,手動給水箱加水
17、,通過simulink編程,且輸出端加濾波,可以得到不同水位時壓差傳感器輸出的電壓值,程序如圖1-1所示:</p><p> 實驗結(jié)果如表1.1所示:</p><p> 由最小二乘法擬合,擬合曲線如圖1-2所示:</p><p> x=[1.65 1.51 1.36 1.22 1.148 1.075 1.0 0.92 0.85 0.776 0.703 0.63
18、0 0.555 0.475 0.400 0.325];</p><p> >> y=[18 16 14 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0];</p><p> >> f=inline('a(1)*x+a(2)','a','x');</p><p> >>
19、 [xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1],x,y)</p><p> Optimization terminated: first-order optimality less than OPTIONS.TolFun,</p><p> and no negative/zero curvature detected in trust region model.</
20、p><p><b> xx =</b></p><p> 13.5602 -4.4962</p><p><b> res =</b></p><p><b> 0.0588</b></p><p> >> y1=13.5602*x
21、-4.4962;</p><p> >> plot(x,y);hold on;plot(x,y1)</p><p><b> >> </b></p><p> 通過最小二乘法擬合得到:</p><p> k=13.5602 b=-4.4962</p><p>
22、 故二號水箱壓差式液位傳感器輸入輸出關(guān)系為:</p><p> 2.2水泵占空比到流量的參數(shù)整定</p><p> 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為是比例關(guān)系。通過實驗對水泵占空比到流量的比例系數(shù)進行整定。</p><p> 打開二號水箱進水出水閥門,應(yīng)用simulin
23、k編程如圖1-4所示:</p><p> 圖1-4所示水泵占空比到流量整定程序</p><p> 通過給定不同的占空比時流量傳感器測得的流量,可以得到占空比與流量的關(guān)系。實驗數(shù)據(jù)如表1.2所示。</p><p> 表1.2 占空比到流量實驗數(shù)據(jù)</p><p> 由最小二乘發(fā)擬合,擬合曲線如圖1-5所示</p><
24、p> 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];</p><p> >> y=[0.85 1.45 1.6 1.8 1.95 2.12 2.3 2.44 2.57 2.75 2.9 3.08 3.24 3.37 3.5];</p><p> >&
25、gt; f=inline('a(1)*x+a(2)','a','x');</p><p> >> [xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1],x,y)</p><p> Optimization terminated: first-order optimality less than OPTIONS.TolFun
26、,</p><p> and no negative/zero curvature detected in trust region model.</p><p><b> xx =</b></p><p> 8.2625 -1.8853</p><p><b> res =</b>&l
27、t;/p><p><b> 0.0405</b></p><p> >> y1=8.2625*x-1.8853;</p><p> >> plot(x,y);hold on;plot(x,y1)</p><p> 通過最小二乘法擬合得到:</p><p> k= 8.
28、2625 b=-1.8853</p><p> 故水泵占空比到流量輸入輸出關(guān)系為:</p><p> 2.3 流量傳感器參數(shù)整定</p><p> 實驗用流量傳感器為GEMS流量傳感器,通過累計流過液體體積的脈沖信號,計算得到液體流量,傳感器單位時間內(nèi)輸出的脈沖值經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得到液體的流量值。設(shè)單位時間內(nèi)輸出的脈沖值為n,n 7.5/575即是單位時間內(nèi)液
29、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:</p><p> 三、被控對象模型建立 </p><p> 被控過程的數(shù)學(xué)模型(動態(tài)特性),是指過程在各輸入量(包括控制量與擾動量)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)表達式。建模的基本方法包括:一、機理分析方法建模 。二、試驗建模,即建立輸入輸出模型,根據(jù)輸入和輸出的實測
30、數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。三、混合建模方法,把過程機理和輸入輸出數(shù)據(jù)結(jié)合建模的方法。</p><p> 在建模的過程中我們采用了機理建模法與階躍響應(yīng)曲線法兩種建模方法對被控對象進行建模。</p><p> 3.1機理建模的建立</p><p> 3.1.1機理建模方法</p><p> 機理分析方法建模,即根據(jù)過程的內(nèi)部機理(
31、運動規(guī)律),運用一些已知的定律、原理,如:物料平衡方程,能量平衡方程、傳熱傳質(zhì)原理等,建立過程的數(shù)學(xué)模型。</p><p> 3.1.2被控對象模型建立</p><p> 對單容水箱進行模型的建立,通過分析我們可以得知,要想維持水箱內(nèi)液位的穩(wěn)定,就要使水箱的進水量與出水量達到平衡。根據(jù)這一原則,我們有:</p><p><b> 輸入:進水量為<
32、;/b></p><p><b> 輸出:水箱液位h</b></p><p> 某一時刻,單容水箱的入水量與出水量的差值即為水箱內(nèi)儲水量的變化。</p><p> 假設(shè)q1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,</p><p><b> (1) </b&
33、gt;</p><p> 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性關(guān)系如下,其中k為泄水閥流量系數(shù):</p><p><b> (2) </b></p><p> 將式(2)帶入(1)得到被控對象模型: </p><p><b> (3)</b></p><
34、;p> 由式(3)可知系統(tǒng)具有非線性,令 則 在平衡點( )處進行泰勒級數(shù)展開,并忽略高階項得到: </p><p><b> 其中</b></p><p><b> 由此,</b></p><p> 取 ,,液位穩(wěn)定時,因此 其中由此得:</p><p> 進行拉普拉斯變換,整理得
35、到:</p><p> 通過分析,我們可以知道水箱的模型可以簡化為一階慣性環(huán)節(jié),這樣我們就可以將非線性的系統(tǒng)近似線性化,并通過實驗得到系統(tǒng)的參數(shù)</p><p> 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 </p><p> 由式(2)可以得到:</p><p><b> 因此:</b><
36、/p><p> 平衡點處液位穩(wěn)定,輸入流量等于輸出流量,即 ,根據(jù)實驗測定, ,h=8cm,帶入式得R=0.436/(cm2*s)。</p><p> 根據(jù)實驗辨識相關(guān)系數(shù)k1 =8.2625</p><p><b> 水箱截面積的計算:</b></p><p><b> 測得水箱的直徑為</b>
37、;</p><p><b> A=,代入得</b></p><p> 到單容水箱傳遞函數(shù)為</p><p> 這就是被控對象的機理模型。</p><p> 3.2實驗?zāi)P偷慕?lt;/p><p> 3.2.1階躍響應(yīng)辨識模型參數(shù)</p><p> 經(jīng)典的參數(shù)辨識的
38、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)計模型可以近似為一階慣性環(huán)節(jié),對于一階慣性環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為 ,其中K為開環(huán)增益,T為過程時間常數(shù),建立控制器設(shè)計模型需要對這兩個參數(shù)進行辨識。階躍響應(yīng)辨識方法根據(jù)觀察階躍響應(yīng)曲線得到系統(tǒng)參數(shù)K與T。</p><p> 3.2.2被控對象模型組成分析</p><p> 被控對象模型是從水泵PWM占空比到液位的過程,包
39、括三部分:PWM到電機給定電壓U,U到入水流量 及 到液位h三個過程。</p><p> 水泵PWM占空比到入水流量q1的模型 </p><p> 此環(huán)節(jié)近似為一階慣性環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為:</p><p> 辨識時用到的simulink程序如圖2-1</p><p><b> 子模塊:</b></p>
40、<p><b> 圖2-1</b></p><p> 實驗時,首先給一個40%的占空比,此時流量穩(wěn)定在1.54L/min,給占空比一個階躍變化,占空比變?yōu)?0%,此時流量穩(wěn)定在2.5L/min.階躍曲線如圖:</p><p><b> 圖2-2</b></p><p> 記錄到達穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的時
41、間值值作為時間常數(shù)</p><p><b> 放大系數(shù):</b></p><p><b> 時間常數(shù): </b></p><p><b> 此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù):</b></p><p> 入水流量q1到液位h的模型 </p><p> 入水流量到
42、液位的過程在平衡點處近似為一階慣性環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為:</p><p> 辨識時用到的simulink程序如圖2-3</p><p> 實驗時,首先給一個2.1L/min的流量,此時液位穩(wěn)定在,給流量一個階躍變化,占空比變?yōu)?.5L/min,此時液位穩(wěn)定在16cm.階躍曲線如圖:</p><p> 記錄到達穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的時間值值作為時間常數(shù)</p
43、><p><b> 放大系數(shù):</b></p><p><b> 時間常數(shù): </b></p><p><b> 此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù):</b></p><p> 四、單回路液位控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)</p><p><b> 4.1控制目標&l
44、t;/b></p><p> 設(shè)計的單回路液位控制控制系統(tǒng),應(yīng)達到以下控制目標:</p><p> 具有良好的靜態(tài)特性:穩(wěn)定時液位保持在8cm處,且無穩(wěn)態(tài)誤差</p><p> 具有良好的動態(tài)特性:超調(diào)量要小,調(diào)節(jié)時間短。</p><p> 具有良好的跟隨特性。</p><p> 具有良好的抗干擾性能:
45、能夠通過調(diào)節(jié)消除擾動對系統(tǒng)的影響</p><p> 4.2單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p> 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)負反饋。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示:</p><p><b> 4.3控制器設(shè)計</b></p><p> 4.3.1控制器參數(shù)整定方法</p>&l
46、t;p> 采用PI控制器進行液位控制。PI控制器的傳遞函數(shù)為</p><p> 利用直接綜合法設(shè)計PI控制器。直接綜合法就是利用期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)來設(shè)計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:</p><p> 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:</p><p> 其中W0(s)為實際被控對象的傳遞函數(shù),期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ,整理
47、得:</p><p> 4.3.2 PID參數(shù)整定</p><p> 水泵PWM占空比到流量的模型傳遞函數(shù)為:</p><p> 入水流量到液位的傳遞函數(shù)為: </p><p> 由于 時間常數(shù)遠小于 時間常數(shù),故水泵PWM占空比到流量可近似為比例環(huán)節(jié),由此得到單回路單容水箱被控對象的控制器設(shè)計模型為:</p>
48、<p> 為了得到較快且穩(wěn)定的液位動態(tài)響應(yīng),選定期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:</p><p> 理論上閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)閉環(huán)極點在負實軸,因此閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。再利用前面階躍辨識近似后得到的數(shù)學(xué)模型,用直接綜合法求得:</p><p><b> 于是得到:</b></p><p> 4.4單回路控制系統(tǒng)實驗</p>&
49、lt;p> 4.4.1單回路控制系統(tǒng)仿真實驗</p><p> 根據(jù)兩個辨識實驗得出的被控對象模型及整定的PID參數(shù),搭建仿真程序如圖3-4,其參數(shù)設(shè)置與機理模型參數(shù)一致。</p><p> 從仿真結(jié)果可以看出:</p><p> 單回路系統(tǒng)沒有超調(diào)量</p><p> 調(diào)節(jié)時間在230s左右穩(wěn)定,且無穩(wěn)態(tài)誤差</p&g
50、t;<p> 4.4.2單回路控制系統(tǒng)實物實驗</p><p> 搭建simulink程序如圖3-6所示:</p><p> 圖3-6 單回路控制系統(tǒng)程序</p><p> 在實際進行實驗時,對PID參數(shù)進行試湊調(diào)整,以得到最佳控制效果。試湊整定后得到:</p><p><b> =21,=0.08</
51、b></p><p> 實際控制結(jié)果如圖3-7所示:</p><p> 圖3-7 單回路控制結(jié)果</p><p> 從單回路控制系統(tǒng)實驗結(jié)果可以得出結(jié)論如下:</p><p> 單回路控制系統(tǒng)幾乎沒有超調(diào),仿真結(jié)果一致。</p><p> 調(diào)節(jié)時間較短,為20s左右。</p><p&
52、gt;<b> 無穩(wěn)態(tài)誤差。</b></p><p> 4.4.3單回路控制系統(tǒng)跟隨實驗</p><p> 對上述控制系統(tǒng),待液位穩(wěn)定后,目標值由8cm改為10cm,實驗控制效果如圖3-8所示:</p><p> 圖3-8 單回路跟隨實驗控制結(jié)果</p><p> 從跟隨實驗可以看出,單回路系統(tǒng)具有較好的跟隨特
53、性。</p><p> 4.4.5單回路控制系統(tǒng)抗干擾試驗</p><p> 實驗過程對單回路控制系統(tǒng)在:當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后在140s時給水泵一個干擾,當系統(tǒng)再次達到穩(wěn)定后在250s時再給水箱連通閥一個擾動</p><p> 由圖示信號分析可知,單回路的抗干擾能力不夠強,當有擾動作用于穩(wěn)定系統(tǒng)時,系統(tǒng)的波動比較大,且短時間不能恢復(fù)到設(shè)定值。</p>
54、<p> 4.5 單回路系統(tǒng)設(shè)計中遇到的問題及解決方案</p><p> 問題:按計算出的PID參數(shù)進行控制時,穩(wěn)態(tài)誤差較大,控制效果不佳</p><p> 原因分析:可能是因為通過辨識得到的被控對象模型不準確</p><p> 解決方案:通過在線調(diào)參,加大 值,適當調(diào)節(jié),最終整定Kp=21,Ki=0.08。</p><p&g
55、t;<b> 4.6總結(jié)</b></p><p> 通過上述單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計及性能測定實驗可以得到以下結(jié)論:</p><p> 單回路控制系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)節(jié)時間較短(25s左右),且沒有超調(diào)量。</p><p> 單回路系統(tǒng)具有跟隨給定的特性。</p><p> 單回路控制系統(tǒng)具有抗干擾性能,但效果不太理
56、想,調(diào)節(jié)時間偏長。</p><p> 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,易于調(diào)整。</p><p> 在對系統(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)是可以滿足需要的。</p><p> 五、串級控制系統(tǒng)設(shè)計實驗</p><p><b> 5.1 控制目標</b></p><p>
57、 串級控制比單回路控制具有更好的抗干擾性能,特別是對副回路的擾動能及時消除,這也是考慮設(shè)計串級控制的主要原因。</p><p> 水箱串級控制的目標為:</p><p> 具有良好的靜態(tài)特性:液位穩(wěn)定在且無穩(wěn)態(tài)靜差。</p><p> 具有良好的動態(tài)特性:超調(diào)量要小,調(diào)節(jié)時間短。</p><p> 具有良好的跟隨特性。</p&
58、gt;<p> 具有良好的抗干擾性能,特別是對流量的擾動能及時消除。</p><p> 5.2 串級系統(tǒng)設(shè)計</p><p> 串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)相比,具有兩個被控量,兩個被控過程,兩個控制器,兩個檢測元件變送器,兩個閉合回路,一個執(zhí)行器,而且副回路盡可能包含多的干擾。由于考慮到本實驗主要干擾為流量不穩(wěn)定引起的干擾,因此把副回路設(shè)計為流量閉環(huán)。于是具體到本水箱
59、實驗:</p><p> 兩個被控量:液位(主被控量)與流量(副被控量)</p><p> 兩個被控過程:液位穩(wěn)定過程(主被控過程)與流量穩(wěn)定過程(副被控過程)</p><p> 兩個控制器:液位控制器(主控制器)與流量控制器(副控制器)</p><p> 兩個檢測元件變送器:壓差式液位傳感器與流量傳感器</p><
60、;p> 兩個閉環(huán)回路:液位閉環(huán)(主回路)與流量閉環(huán)(副回路)</p><p><b> 執(zhí)行器:水泵。</b></p><p> 搭建的simulink模塊如圖4-1所示:</p><p> 圖4-1 串級控制系統(tǒng)程序</p><p> 5.3 控制器PID參數(shù)整定</p><p>
61、; 根據(jù)設(shè)計的串級控制系統(tǒng),整定主副兩個控制器的PID參數(shù)。</p><p> 串級控制系統(tǒng)要求主回路起定值細調(diào)作用,副回路起快速粗調(diào)作用,這也是串級控制主副回路設(shè)計的基本原則。根據(jù)這個原則,副回路時間常數(shù)應(yīng)比主回路時間常數(shù)小得多。</p><p> 設(shè)主回路時間常數(shù)為 ,副回路時間常數(shù)為,則左右。取,</p><p> 副控制器PID參數(shù)整定</p&
62、gt;<p> 由于流量到液位的階躍辨識實驗中,已經(jīng)通過一個流量閉環(huán)將流量穩(wěn)定,且在此辨識實驗中期望的閉環(huán)時間常數(shù)為0.5,故在此直接應(yīng)用上述辨識實驗中中的PID參數(shù),即 </p><p> 主控制器PID參數(shù)整定</p><p> 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,主被控對象模型已通過流量到液位階躍辨識實驗得出。兩者串連關(guān)系,將兩者相乘,即得到總的被
63、控對象模型。</p><p> 設(shè)為副回路等效期望閉環(huán)傳遞函數(shù),為主被控對象模型,為總的被控對象模型。則:</p><p> 由于遠小于2,故將近似為1,于是得到 如下:</p><p> 設(shè)置主回路期望傳遞函數(shù)為用單回路設(shè)計PID參數(shù)時用到的直接綜合法求出主回路PID參數(shù):</p><p><b> 得出:</
64、b></p><p><b> 故:</b></p><p><b> ,</b></p><p> 5.4串級控制系統(tǒng)實驗</p><p> 在實際進行實驗時,再對PID參數(shù)進行試湊調(diào)整,以得到最佳控制效果。</p><p> 試湊整定后副控制器PID參數(shù)為
65、:</p><p><b> =17,=0.05</b></p><p> 試湊整定后主控制器PID參數(shù)為:</p><p><b> ?。?, =0.02</b></p><p> 實際控制結(jié)果如圖4-4:</p><p> 從串級控制系統(tǒng)實驗結(jié)果可以得出結(jié)論如下:
66、</p><p> 串級控制系統(tǒng)具有2.5%左右的超調(diào)量,與仿真結(jié)果一致。</p><p> 調(diào)節(jié)時間較短,為25s左右。</p><p><b> 無穩(wěn)態(tài)誤差。</b></p><p> 5.4.1串級控制系統(tǒng)跟隨實驗</p><p> 跟隨實驗主副控制器PID參數(shù)與上述實驗一致,在穩(wěn)
67、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,實驗控制效果為下圖4-5所示:</p><p> 圖4-5串級控制系統(tǒng)跟隨實驗</p><p> 5.4.2串級控制系統(tǒng)抗干擾試驗</p><p> 串級控制系統(tǒng)對比單回路控制系統(tǒng)最主要優(yōu)勢是抗干擾性能特別好,能及時消除副回路的擾動。具體到本實驗,采用串級控制系統(tǒng)能及時消除因電壓變化、水泵發(fā)熱等
68、原因引起的流量變化擾動,使系統(tǒng)具有好得多的抗干擾特性。</p><p> 為了與單回路系統(tǒng)的抗干擾能力進行對比,此實驗加的擾動與單回路抗干擾實驗加的擾動相同。</p><p> 225S旁路閥擾動;400s給水泵一個擾動實驗結(jié)果圖如下:</p><p><b> 5.5總結(jié)</b></p><p> 通過上述串級
69、控制系統(tǒng)的設(shè)計及性能測定實驗,與單回路控制系統(tǒng)對比,可以簡單得出結(jié)論如下:</p><p> 該串級控制系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差,且調(diào)節(jié)時間較短,為23s左右。</p><p> 該串級控制系統(tǒng)具有一定的超調(diào)量,但超調(diào)量較小,在允許范圍內(nèi)。這是因為從水泵占空比到流量嚴格來說是一個二階被控對象,相對于單回路控制系統(tǒng),串級控制系統(tǒng)通過流量閉環(huán),改變了原二階被控對象特性,于是出現(xiàn)了超調(diào)。通過整定PID
70、參數(shù),可以減小超調(diào)。</p><p> 該串級控制系統(tǒng)具有跟隨給定的特性,但相比單回路控制系統(tǒng),串級控制系統(tǒng)跟隨給定的調(diào)節(jié)時間較長。</p><p> 該串級控制系統(tǒng)抗干擾性能明顯優(yōu)于單回路控制系統(tǒng),對副回路內(nèi)的流量擾動能迅速消除。這也是串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢所在。</p><p> 當系統(tǒng)對抗干擾性能要求較高時,串級控制系統(tǒng)是一個比較不錯的選擇。</p
71、><p><b> 六、報告總結(jié)</b></p><p> 通過為期一周的課程設(shè)計,本組成員從傳感器及執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)整定、被控對象模型的建立到控制器的設(shè)計及系統(tǒng)性能測試,完整地完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計過程。</p><p> 在此次課程設(shè)計中,本組成員成功地設(shè)計出了兩個控制系統(tǒng):單回路液位控制系統(tǒng)和串級液位控制系統(tǒng)?,F(xiàn)總結(jié)如下:</p>
72、;<p> 單回路單容液位控制系統(tǒng)是最基本的單位負反饋系統(tǒng),調(diào)節(jié)時間短,超調(diào)量小,跟隨特性良好,有一定的抗干擾能力,且設(shè)計簡單,在對系統(tǒng)抗干擾性能要求不高的情況下,可以滿足設(shè)計要求。</p><p> 串級控制系統(tǒng)是對單回路控制系統(tǒng)的改進。主要改進方面便是系統(tǒng)的抗干擾性能。通過引入流量閉環(huán),串級控制系統(tǒng)大大減弱了副回路內(nèi)的流量擾動對系統(tǒng)的影響。實驗中通過對比單回路與串級控制系統(tǒng)的抗干擾實驗結(jié)果,
73、可以更加明顯地看出串級控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。如果對系統(tǒng)的抗干擾性能要求較高,可以考慮設(shè)計成串級控制系統(tǒng)。</p><p> 通過此次課程設(shè)計,進一步加深了我們對課本知識的理解。同時,在具體的實踐,我們也遇到了很多課本上沒有、實際系統(tǒng)中存在的問題,不知所措,也讓我們走了很多彎路。最后,通過查詢資料、咨詢老師及學(xué)長,這些問題也都得到了較好地解決??梢姡粚W(xué)習(xí)書本知識是遠遠不夠的,要想學(xué)好自動化,設(shè)計好一個自動控制系統(tǒng),
74、必須通過具體實踐。</p><p><b> 七、參考文獻</b></p><p> 1 邵裕森,巴筱云.過程控制系統(tǒng)及儀表[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999</p><p> 2 王建輝,顧樹生.自動控制原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007</p><p> 3 方崇志,蕭德云.過程辨識[M].
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