課程設計報告---水箱液位控制系統(tǒng)

1、<p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　設計題目：水箱液位控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　姓 名： </p>

2、<p>　　指導教師： </p><p>　　設計時間： 2012.05.07—2012.05.25 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在過程工業(yè)中被控制量通常有以下四種: 液位、壓力、流量、溫度。而液位不僅是工業(yè)過程中常見的參數(shù)，且便于直接觀察， 也容易測量。過程時

3、間常數(shù)一般比較小。以液位過程構成實驗系統(tǒng),可靈活地進行組態(tài)，實施各種不同的控制方案。 液位控制裝置也是過程控制最常用的實驗裝置。國外很多實驗室有此類裝置， 如瑞典LUND大學等。 很多重要的研究報告、模擬仿真均出自此類裝置!</p><p>　　本次設計也是基于這套水箱液位控制裝置來實現(xiàn)的。這套系統(tǒng)由多個水箱，液位檢測變送器，電磁流量計，渦輪流量計，自動調節(jié)閥，控制面板等喝多器件構成。</p>&l

4、t;p>　　液位控制的發(fā)展從七十年代到九十年代經(jīng)歷了幾個階段，控制理論由經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論，再到多學科交叉；控制工具由模擬儀表到DCS，再到計算機網(wǎng)絡控制；控制要求與控制水平也由原來的簡單、安全、平穩(wěn)到先進、優(yōu)質、低耗、高產(chǎn)甚至市場預測、柔性生產(chǎn)。而其中應用最廣泛的就是PID 控制器。</p><p>　　這次首先是用一天半的時間讓我們熟悉各種建模的方法。學會建立了最初的四種模型。接著后幾天就是開始

5、熟悉各種控制系統(tǒng)，以及運用它們去控制水箱的液位，從而更加深刻的理解控制的概念。并且在過程中，要熟練學會調整PID的參數(shù)，學會使用MATLAB等。</p><p>　　關鍵詞：水箱液位 PID控制 串級控制 前饋控制 經(jīng)驗湊試法</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)控制中,過程控制技術是一歷史較為久遠的分支

6、。在本世紀30 年代就已有應用。過程控制技術發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動控制兩個發(fā)展時期。在自動控制時期內，過程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。</p><p>　　目前，過程控制正朝高級階段發(fā)展，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)：以智

7、能控制理論為基礎，以計算機及網(wǎng)絡為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。</p><p>　　隨著信息技術、自動化技術在過程工業(yè)的廣泛應用，過程控制系統(tǒng)在過程工業(yè)中愈顯重要。過程控制從應用于工業(yè)生產(chǎn)至今經(jīng)歷了一個由簡單到復雜、從低級到高級的過程。在過程控制中，通常對液位、溫度、壓力、流量等參數(shù)進行控制。其中，液位控制技術在國民生活、

8、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，如民用水塔供水，精餾塔液位控制，鍋爐氣泡液位控制等。液位控制的準確度與精度都直接或間接地影響著生產(chǎn)、生活的質量與安全。為了保證安全、合理高效生產(chǎn)，急需開展先進的液位控制方法和策略的研究和開發(fā)。</p><p>　　水箱液位控制系統(tǒng)是設計和開發(fā)先進液位控制策略的一個開放式平臺，具有觀察直觀、測量容易、組態(tài)靈活，可實施各種相異的控制方案，國內外許多學者和工程技術人員基于該類裝置做出了重要的研究報

9、告，以驗證重要的理論成果和指導生產(chǎn)實踐。然而，目前我國這類控制實驗裝置主要用于高校實驗教學，存在著實驗采集數(shù)據(jù)誤差較大、實驗對象過于單一等不足。因此，開發(fā)具有科研功能的試驗裝置具有重要的工程應用價值。</p><p><b>　　2 設計任務及要求</b></p><p>　　實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模</p><p>　　描述實驗系統(tǒng)的總體結構（

10、結構圖及語言描述）。</p><p>　　利用實驗建模方法建立進水閥和主管道進水流量之間關系的數(shù)學模型。</p><p>　　要求：寫出具體的建模步驟及結果。</p><p>　　利用實驗建模方法建立進水流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型。</p><p>　　要求：寫出具體的建模步驟及結果，記錄該對象的階躍響應曲線（2種不同幅值的階躍擾

11、動）</p><p>　　利用實驗建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型。</p><p>　　要求：寫出具體的建模步驟及結果，記錄該對象的階躍響應曲線（2種不同幅值的階躍擾動）</p><p>　　⑤利用實驗建模方法建立雙容水箱（上下串聯(lián)）的進水流量（上水箱進水）和水箱（下）液位之間關系的數(shù)學模型。</p><p>　　要

12、求：寫出具體的建模步驟及結果，記錄該對象的階躍響應曲線（2種不同幅值的階躍擾動）</p><p>　　實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設計</p><p>　　畫出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。</p><p>　　采用經(jīng)驗湊試法調節(jié)PID參數(shù)，使液位設定值發(fā)生階

13、躍變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質量。</p><p>　　要求：在PID參數(shù)調試過程中，按控制質量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標），并說明你做參數(shù)進一步調整的原因，進而掌握PID控制作用對控制質量的影響。</p><p>　　控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過

14、渡過程曲線，控制質量指標）（注意：在這種情況下，不要去調整PID參數(shù)）。</p><p>　　打開副回路進水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標）（注意：在這種情況下，不要去調整PID參數(shù)）。</p><p>　　思考：旁路流量的頻繁，劇烈變化對控制質量有著嚴重的影響，有什么方法可以較好的抑制這個擾動對控制質量的影響。<

15、/p><p>　　副回路進水的頻繁劇烈變化對控制質量的嚴重影響，有什么方法可以很好的抑制其對控制質量的影響。</p><p>　　實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設計</p><p>　　畫出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。</p><p&

16、gt;　　采用經(jīng)驗湊試法調節(jié)PID參數(shù)，使液位設定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質量。</p><p>　　要求：在PID參數(shù)調試過程中，按控制質量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標），并說明你做參數(shù)進一步調整的原因，進而掌握PID控制作用對控制質量的影響。</p><p>　　控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3

17、種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標）（注意：在這種情況下，不要去調整PID參數(shù)）。</p><p>　　打開副回路進水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標）（注意：在這種情況下，不要去調整PID參數(shù)）。</p><p>　　思考： 在這種情況下，和(2)中單回路控制系統(tǒng)控制質量有

18、什么變化？為什么會有這樣的變化？</p><p>　　在這種情況下，你有什么辦法提高控制系統(tǒng)的控制質量？詳細說明你的想法。</p><p>　　實現(xiàn)水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)設計</p><p>　　畫出此串級控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路

19、控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。</p><p>　　采用經(jīng)驗湊試法調節(jié)主、副控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達到滿意的控制質量。</p><p>　　要求：寫出調試控制器參數(shù)的具體步驟。在PID參數(shù)調試過程中，記錄10組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標）來說明你的調試過程，并說明你做參數(shù)進一步調整的原因。</p><p>　　在設定

20、值發(fā)生階躍變化（設定值階躍增大及設定值階躍減?。r，觀察并記錄控制系統(tǒng)的過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標）。</p><p>　　打開旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質量指標）；并和（1）中的控制質量進行對比，分析并說明控制質量變化的原因。</p><p>　　打開副回路進水閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應的控制系統(tǒng)過渡過程（過

21、渡過程曲線，控制質量指標）；并和（1）中的控制質量進行對比，分析并說明控制質量變化的原因。</p><p>　　思考：串級控制系統(tǒng)對于副回路進水的頻繁劇烈變化具有一定的抑制作用，還有什么方法可以更好的抑制該擾動對水箱液位的影響，使得控制質量能夠進一步提高。 </p><p>　　實現(xiàn)副回路進水流量的前饋控制</p><p>　　（提示：和水箱（上）液位的單回路控制系

22、統(tǒng)組成一個前饋-反饋復合控制系統(tǒng)）</p><p>　　畫出此前饋-反饋復合控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。</p><p>　　試求解前饋控制器的模型。</p><p>　　采用簡化模型代替前饋控

23、制器，利用Matlab仿真軟件調節(jié)前饋控制器參數(shù)，使得副回路進水流量發(fā)生劇烈變化時，控制系統(tǒng)達到滿意的控制質量。寫出前饋控制器參數(shù)的調試步驟，記錄與其對應的6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（包括：過渡過程曲線，控制質量指標），充分反映你的參數(shù)調試過程。</p><p>　　3. 實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模</p><p><b>　　3.1模型的建立</b></p>

24、<p>　　首先觀察到了實驗裝置，我們主要用了水箱，調節(jié)閥，電磁流量計，變頻計，液位檢測變送器等等。</p><p>　　我們設計了主副回路相結合的調解辦法。主回路上有自動調節(jié)閥，只需在控制器上給定量，便可以自己調節(jié)。并且有電磁流量計，來實時監(jiān)控流量變化。副回路主要是變頻器，通過調節(jié)頻率來控制副回路泵的轉速，從而調節(jié)流量。這里使用的是渦輪流量計來檢測流量的大小。流量的實物體現(xiàn)便是水箱的液位變化。然后

25、在設置一個反饋環(huán)節(jié)，主要是利用液位檢測變送器來實現(xiàn)的。這就是模型的大概思路。</p><p>　　我們組是直接用雙容水箱做的這個實驗。因為按照我們的理解，如果調節(jié)控制下水箱就是水箱，但是不管下水箱則為單容。</p><p>　　我們用主副回路共同控制水箱液位。先通過控制器來調節(jié)自動調節(jié)閥，從而控制左上水箱的進水流量，然后調節(jié)出水閥，然進水流量等于出水流量，從而把液面控制穩(wěn)定在一水平面上。&

26、lt;/p><p><b>　　方框圖如下： </b></p><p>　　圖3.1 水箱液位控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　3.2進水閥和主管道進水流量之間關系的數(shù)學模型</p><p>　　調節(jié)閥的開度 由17%階躍到24%</p><p>　　圖3.2.1 第一次給調節(jié)閥階躍的閥開度與

27、進水了流量關系圖</p><p><b>　　調節(jié)閥的開度 由</b></p><p>　　圖3.2.2 第二次給調節(jié)閥階躍的閥開度與進水了流量關系圖</p><p>　　運用相關的公式及模型，可得：</p><p>　　調節(jié)閥的開度變化： </p><p><b>　?。?/p>

28、3.2.1）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?.2.2）</b></p><p><b>　　純滯后系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?.2.3） </b></p>

29、;<p><b>　　時間常數(shù)為</b></p><p><b>　　(3.2.4) </b></p><p>　　進水閥和主管道進水流量之間關系的數(shù)學模型為</p><p><b>　　(3.2.5)</b></p><p>　　3.3建立進水流量和水箱（上）

30、液位之間關系的數(shù)學模型</p><p><b>　　閥的開度由</b></p><p>　　圖3.3.1 第一次給調節(jié)閥階躍的進水流量和水箱（上）液位之間關系圖</p><p><b>　　閥的開度由</b></p><p>　　圖3.3.2 第二次給調節(jié)閥階躍的進水流量和水箱（上）液位之間關系

31、圖</p><p><b>　　調節(jié)閥的開度變化：</b></p><p><b>　?。?.3.1）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?.3.2）</b></p><p>&l

32、t;b>　　純滯后系數(shù)</b></p><p><b>　　(3.3.3)</b></p><p><b>　　時間常數(shù)為</b></p><p><b>　　(3.3.4)</b></p><p>　　進水流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型為</p

33、><p><b>　　(3.3.5)</b></p><p>　　3.4副回路流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型</p><p><b>　　閥的開度由</b></p><p>　　圖3.4.1 第一次給調節(jié)閥階躍的副回路流量和水箱（上）液位之間關系圖</p><p>&l

34、t;b>　　閥的開度由</b></p><p>　　圖3.4.2 第二次給調節(jié)閥階躍的副回路流量和水箱（上）液位之間關系圖</p><p><b>　　調節(jié)閥開度變化</b></p><p><b>　?。?.4.1）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)<

35、;/b></p><p><b>　　（3.4.2）</b></p><p><b>　　純滯后系數(shù)</b></p><p><b>　　(3.4.3)</b></p><p><b>　　時間常數(shù)</b></p><p>&

36、lt;b>　　(3.4.4)</b></p><p>　　副回路流量和水箱（上）液位之間關系的數(shù)學模型</p><p><b>　　(3.4.5)</b></p><p>　　3.5雙容水箱的進水流量和水箱液位之間關系的數(shù)學模型</p><p><b>　　閥的開度由</b><

37、;/p><p>　　圖3.5.1 第一次給調節(jié)閥階躍的雙容水箱的進水流量和水箱液位之間關系圖</p><p><b>　　閥的開度由</b></p><p>　　圖3.5.2 第二次給調節(jié)閥階躍的雙容水箱的進水流量和水箱液位之間關系圖</p><p><b>　　，</b></p>

38、<p>　　可用 （3.5.1） 計算</p><p><b>　　解得</b></p><p><b>　　調節(jié)閥開度變化</b></p><p><b>　?。?.5.2）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)</b&g

39、t;</p><p><b>　　(3.5.3)</b></p><p>　　雙容水箱的進水流量和水箱液位之間關系的數(shù)學模型為</p><p><b>　?。?.5.4）</b></p><p>　　4. 實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設計</p><p>　　4.1

40、 單回路系統(tǒng)控制圖</p><p>　　此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　圖4.1.1 單容水箱（上）液位的單回路控制原理圖</p><p>　?、诖藛位芈房刂葡到y(tǒng)的控制框圖</p><p>　　圖4.1.2 單容水箱（上）液位的單回路控制框圖</p><p>　　4.2 PID參數(shù)整定 </

41、p><p>　　控制器參數(shù)的整定，對PID控制規(guī)律來說，就是恰當選擇比例度 （或比例放大系數(shù) 、積分時間常數(shù) 和微分時間常數(shù) 的值?？刂破鲄?shù)整定的方法有兩類，一類是理論計算法，一類是工程整定法.</p><p>　　已知被控對象較準確的數(shù)學模型，可以應用理論計算法。用傳統(tǒng)的時域法、頻率法、根軌跡法都可以進行整定，利用計算機進行參數(shù)整定和優(yōu)化的方法也很多。往往由于數(shù)學模型的原因，理論計算得到的

42、數(shù)據(jù)精度不高，但它卻可以為工程整定法提供指導。</p><p>　　我們主要采用的是經(jīng)驗湊試法。所謂經(jīng)驗湊試法，是按被控變量的類型（即按流量，液位，溫度，壓力等分類）提出控制其參數(shù)的合適范圍。它是在長期的生產(chǎn)時間中總結出來的一種工程整定辦法。</p><p>　　我們先將控制器的參數(shù)放在某一數(shù)值上，通過改變給定值來給一擾動，觀察過渡過程曲線形狀，運用、、對過渡過程的影響為依據(jù)，按規(guī)定的順序

43、對比例度、積分時間和微分時間逐個進行反復湊試，直到得到穩(wěn)定的符合條件的曲線。</p><p>　　這次設計主要是以比例調節(jié)為主，所以我們先利用經(jīng)驗給定一個比例系數(shù)，待過渡過程穩(wěn)定后，加積分作用以消除余差，最后加入微分作用從而進一步提高控制質量。</p><p><b>　　PID整定過程:</b></p><p>　　當把比例系數(shù)K調到K=35

44、時，圖像如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.1 K=35時控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　通過觀察發(fā)現(xiàn)此時K已經(jīng)過大。因為曲線已經(jīng)超過了幅值，所以須減小K繼續(xù)調節(jié)。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)當K=10時調節(jié)時間較短且不出現(xiàn)震蕩并滿足衰減比為4：1.</p><p>　　圖4.2.2 K=10時控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　此時發(fā)現(xiàn)

45、圖像雖然有明顯改進，但是仍有余差。所以我們要添加積分作用。對I進行整定。即使K為10左右試湊I 使曲線再次達到穩(wěn)定，使衰減比再次達到4:1。</p><p>　　當取K=11 ，I=200000曲線如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.3 K=11，I=200000時控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　此時系統(tǒng)余差已經(jīng)消失，但是系統(tǒng)超調偏大，繼續(xù)調整I。經(jīng)多

46、次試驗后發(fā)現(xiàn)當I=300000效果較好。如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.4 K=11，I=300000時控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　此時系統(tǒng)超調很小，較上一組參數(shù)具有有很大的改進。故I取300000。</p><p>　　繼續(xù)調整D當D= 50000，曲線如下圖所示此時控制效果較好，但給定波動很劇烈，繼續(xù)調整。</p><p

47、>　　圖4.2.5 K=11，I=300000，D=50000時控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　測試多組參數(shù)后，當D= 10000時控制效果較好且電磁閥給定波動明顯較上圖減小很多，曲線如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.6 K=11，I=300000，D=10000時控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　這時調節(jié)的曲線比較符合要求，具有良好的效

48、果。故單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)最終整定參數(shù)為 K=11 ，I=300000 ，D=10000。</p><p>　　4.3控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥</p><p>　　這時給定的擾動較小，所以曲線沒有非常明顯的波動。這是第一種情況</p><p>　　圖4.3.1 第一次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　擾動加大，圖

49、像有了較明顯的變化，可以清晰的看到擾動的給定時間等。</p><p>　　圖4.3.2 第二次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　由圖可以看出，這時給的擾動過大，導致PID已經(jīng)無法自動調節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是第三種狀況。</p><p>　　圖4.3.3 第三次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　4.4打開副回路進水閥</p

50、><p>　　給一小擾動，看到PID很快把液位穩(wěn)定回給定值 ，這時擾動頻率為 28.3HZ。</p><p>　　圖4.4.1 第一次用副回路進水閥給定擾動</p><p>　　再把擾動稍微加大一些，雖然曲線有了較為明顯的變化，但是 PID也仍舊可以把液位恢復到給定值。這時擾動頻率為33HZ。</p><p>　　圖4.4.2 第二次用副回路

51、進水閥給定擾動</p><p>　　再給一非常大的擾動。擾動已超出PID調節(jié)范圍。故液位無法回到給定值 ，這時擾動頻率為 50HZ。</p><p>　　圖4.4.3 第三次用副回路進水閥給定擾動</p><p><b>　　4.5思考題?</b></p><p>　　1.旁路流量的頻繁，劇烈變化對控制質量有著嚴重的影

52、響，有什么方法可以較好的抑制這個擾動對控制質量的影響。</p><p>　　答：可以選用串級控制系統(tǒng)來抑制甚至消除擾動。由于該擾動不可預測，所以不能選用前饋—反饋復合控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.副回路進水的頻繁劇烈變化對控制質量的嚴重影響，有什么方法可以很好的抑制其對控制質量的影響。</p><p>　　答：可以選用串級控制系統(tǒng)或者前饋—反饋復合控制系統(tǒng)來抑

53、制甚至消除擾動。串級控制系統(tǒng)的特點是可以迅速克服內環(huán)的擾動，這樣就會減輕擾動對控制質量的影響。只要把變化劇烈幅度大的干擾包含在副回路中，即可大大削弱其對主被控量的影響。如果擾動是可量測和可控制的，則可以采用前饋—反饋復合控制系統(tǒng)能迅速有效地補償擾動對整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度，理論上可做到完全消除擾動對系統(tǒng)的影響。若選用前饋—反饋復合控制系統(tǒng)要求擾動是可量測和可控制的。</p><p>　　5 雙容水箱液

54、位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設計</p><p>　　5.1單回路控制系統(tǒng)圖</p><p>　?、俅藛位芈房刂葡到y(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　圖5.1.1 雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　?、诖藛位芈房刂葡到y(tǒng)的控制框圖</p><p>　　圖5.1.2 雙容水箱液

55、位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)選用雙容水箱作為控制對象，控制方案采用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又被稱為簡單控制系統(tǒng)，它是由一個被控對象、一個檢測元件及傳感器（或變送器）、一個調節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　5.2 PID參數(shù)整定</p><p>　　首先需要給P一個給定值，假設當把P給定到1的時候

56、，圖像如下，可以看到圖像很不穩(wěn)定，需要把P減小。</p><p>　　圖5.2.1 當P=1時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　把P減小到0.5的時候，圖像較為改善，但是仍舊非常不穩(wěn)定。還需把P稍微減小點。</p><p>　　圖5.2.2 當P=0.5時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　然后在把P稍微減小點，減到0.3，可以得到如下的曲

57、線圖?？梢钥吹交旧弦呀?jīng)符合要求了。為了追求更理想的效果，可以稍微再小點。</p><p>　　圖5.2.3 當P=0.3時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　當P=0.25時，圖形效果如下，曲線較為平穩(wěn)，但是有余差， P就用此值。</p><p>　　圖5.2.4 當P=0.25時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　可以看到曲線仍有余差，繼

58、續(xù)調節(jié)I。還是令P為0.25，調節(jié)I=0.1，可以看到此時曲線非常震蕩，完全不符合要求。所以必須繼續(xù)調I。使其縮小。</p><p>　　圖5.2.5 當P=0.25，I=0.1時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　讓I減小到I =0.01，P保持不變得到如下曲線，仍舊非常震蕩繼續(xù)使I減小。</p><p>　　圖5.2.6 當P=0.25，I=0.01時，系統(tǒng)曲線

59、圖</p><p>　　讓I=0.001，P還是不變。這時得到的曲線如下，雖然比I=0.01時好一些，但是還是需要繼續(xù)調節(jié)I。</p><p>　　圖5.2.7 當P=0.25，I=0.001時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　這時I=0.0001，曲線更加平穩(wěn)，但是還是不夠理想。需要再適當增大I。</p><p>　　圖5.2.8

60、當P=0.25，I=0.0001時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　經(jīng)多次調試當I=0.0004時，曲線達到最平穩(wěn)狀態(tài)。此參數(shù)較好?？梢允褂?。</p><p>　　圖5.2.9 當P=0.25，I=0.0004時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　故整定后的參數(shù)，P=0.25，I=0.0004。不用整定D就可以。</p><p>　　5.3

61、控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥</p><p>　　首先給定一小點的旁路擾動，可以觀察到圖像的變化不是非常明顯。曲線如下：</p><p>　　圖5.3.1 第一次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　再給定一個稍大的擾動，這時圖像產(chǎn)生了較明顯的變化，然后又恢復了穩(wěn)定。</p><p>　　圖5.3.2 第二次用旁路干擾閥給定擾動&l

62、t;/p><p>　　最后給定一個超大的擾動，可以看到曲線已經(jīng)超出了量程范圍，無法恢復到給定值。</p><p>　　圖5.3.3 第三次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　5.4打開副回路進水閥</p><p>　　先給一小點的擾動，可以得到如下曲線，變化比較小。很快通過PID的調節(jié)就達到了穩(wěn)定。</p><p>

63、;　　圖5.4.1 第一次用副回路進水閥給定擾動</p><p>　　在給大一點的擾動，可以看出比上面變化的大，也是很快通過PID的調節(jié)就達到了穩(wěn)定。</p><p>　　圖5.4.2 第二次用副回路進水閥給定擾動</p><p>　　繼續(xù)給一個超大的擾動，觀察所得曲線發(fā)現(xiàn)，由于擾動過大，已經(jīng)超出了PID調節(jié)范圍，故系統(tǒng)無法恢復到給定值了。</p>

64、<p>　　圖5.4.3 第三次用副回路進水閥給定擾動</p><p><b>　　5.5思考題</b></p><p>　　?在這種情況下，和(2)中單回路控制系統(tǒng)控制質量有什么變化？為什么會有這樣的變化？</p><p>　　答：系統(tǒng)的上升時間和調節(jié)時間變長，原因是雙容水箱較單容水箱存在比較大的容量滯后。</p>

65、;<p>　　容量滯后：當一個擾動出現(xiàn)后，由于上水箱首先要吸收（或放出）能量來改變自身狀態(tài)，然后才能使被調參數(shù)逐漸變化，這樣被調參數(shù)開始變化后的時刻就會落后于干擾量出現(xiàn)的時刻，這種滯后是由于上水箱造成的慣性而產(chǎn)生的，故稱為容量滯后。</p><p>　　?在這種情況下，你有什么辦法提高控制系統(tǒng)的控制質量？詳細說明你的想法。</p><p>　　答：可以選用串級控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)

66、的內環(huán)可以很好的消除容量滯后。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路的特點改善過程動態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率。合理構造二次回路，以減小容量滯后對過程的影響，加快響應速度。在構造二次回路時，應該選擇一個滯后較小且保證快速動作的副回路。</p><p>　　6.水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)設計</p><p>　　6.1串級控制系統(tǒng)圖</p><p>　?、俅舜壙刂葡?/p>

67、統(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　圖6.1.1 水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　?、诖舜壙刂葡到y(tǒng)的控制框圖</p><p>　　圖6.1.2 水箱（上）液位與進水流量的串級控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　本實驗采用計算機控制,將下水箱液位控制在設定高度。串級回路是由內反饋組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，屬于復雜控

68、制范疇。在計算機中設置了兩個虛擬調節(jié)器作為主副調節(jié)器。將下水箱的液位信號輸出作為主調節(jié)器輸入，主調節(jié)器的輸出作為副調節(jié)器的輸入，在串級控制系統(tǒng)中，兩個調節(jié)器任務不同，因此要選擇調節(jié)器的不同調節(jié)規(guī)律進行控制，副調節(jié)器主要任務是快速動作，迅速抵制進入副回路的擾動，至于副回路的調節(jié)不要求一定是無靜差。主調節(jié)器的任務是準確保持下水箱液位在設定值，因此，主調節(jié)器采用PI調節(jié)器也可考慮采用PID調節(jié)器。</p><p>　　

69、6.2 PID參數(shù)整定</p><p>　　首先整定內環(huán)，另P=1，可以得到如下曲線，但是可以發(fā)現(xiàn)P太小了。故得增大。</p><p>　　圖6.2.1 當P=1時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　令P=100 ，雖然有改善，但是仍舊很小。故應適當增大。</p><p>　　圖6.2.2 當P=100時，系統(tǒng)曲線圖</p&g

70、t;<p>　　多次試驗后發(fā)現(xiàn)當P=800時，曲線較好。故P取800.</p><p>　　圖6.2.3 當P=800時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　接著進行內環(huán)I的整定。令I為1的時候得到如下曲線，可以發(fā)現(xiàn)I過小，應繼續(xù)增大。</p><p>　　圖6.2.4 當P=800，I=1時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　

71、　接著令I為8，則可以得到較為平穩(wěn)符合要求的曲線了。如下：</p><p>　　圖6.2.5 當P=800，I=8時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　整定外環(huán)，令P=1時，可以得到如下曲線：</p><p>　　圖6.2.6 當P=1時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　可以看出P過大，應適當減小。故令P為0.1，發(fā)現(xiàn)正好符合要求。較為

72、穩(wěn)定。</p><p>　　圖6.2.7 當P=0.1時，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　整定I，另P為0.8，I為0.1可得</p><p>　　圖6.2.8 當P=0.1時，I=0.1，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　發(fā)現(xiàn)I過大，應繼續(xù)減小I,經(jīng)過多次嘗試，令I為0.001時，發(fā)現(xiàn)符合要求</p><p>

73、　　圖6.2.9 當P=0.1時，I=0.001，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　故最終整定參數(shù):外環(huán) P=0.09，I=0.001</p><p>　　內環(huán) P=800 I=8</p><p>　　6.3 讓設定值發(fā)生階躍變化</p><p>　　當系統(tǒng)給定值由6增加階躍到8時，由下圖不難看出給定值發(fā)生階躍變化后系統(tǒng)快素調整到了新的

74、穩(wěn)態(tài)值。</p><p>　　圖6.3.1 給定值第一次發(fā)生節(jié)約變化后系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　當系統(tǒng)給定值由6減少階躍到4時，由下圖不難看出給定值發(fā)生階躍變后系統(tǒng)快素調整到了新的穩(wěn)態(tài)值。</p><p>　　圖6.3.2 給定值第二次發(fā)生節(jié)約變化后系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　打開旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動）</p&g

75、t;<p>　　圖6.4.1 第一次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　圖6.4.2 第二次用旁路干擾閥給定擾動</p><p>　　6.5打開副回路進水閥（較大幅值的階躍擾動）</p><p>　　圖6.5.1 第一次用副回路進水閥給定擾動</p><p>　　圖6.5.2 第二次用副回路進水閥給定擾動</p

76、><p><b>　　6.6思考</b></p><p>　　串級控制系統(tǒng)對于副回路進水的頻繁劇烈變化具有一定的抑制作用，還有什么方法可以更好的抑制該擾動對水箱液位的影響，使得控制質量能夠進一步提高。 </p><p>　　答：可選用前饋—反饋復合控制系統(tǒng)。前饋—反饋復合控制系統(tǒng)能迅速有效地補償擾動對整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度，理論上可做到

77、完全消除擾動對系統(tǒng)輸出的影響。若選用前饋—反饋復合控制系統(tǒng)，前提是擾動參量是可量測和可控制的?？梢栽诟被芈窋_動前加一個前饋補償器，通過模型計算，求得該補償器的傳遞函數(shù)，進而消除副回路擾動的干擾。</p><p>　　副回路進水流量的前饋控制</p><p>　　7.1 前饋控制系統(tǒng)圖</p><p>　?、俅饲梆伩刂葡到y(tǒng)的控制原理圖</p><

78、p>　　圖7.1.1 副回路進水流量的前饋控制原理圖</p><p>　　圖7.1.2 副回路進水流量的前饋控制原理簡化圖</p><p>　　前饋控制又被稱為擾動補償， 它與反饋調節(jié)的原理完全不同， 是按照引起被調參數(shù)變化的干擾大小來進行調節(jié)的。在這種調節(jié)系統(tǒng)中， 要直接測量負載干擾量的變化， 當干擾剛剛出現(xiàn)而能測出時，調節(jié)器就會發(fā)出調節(jié)信號而使調節(jié)量做出相應的變化， 使兩者抵

79、消于被調節(jié)量發(fā)生偏離之前。因此，前饋調節(jié)對干擾的克服比反饋調節(jié)快。</p><p><b>　　前饋控制器的模型</b></p><p>　　圖7.2.1 前饋控制框圖</p><p>　　前饋—反饋控制系統(tǒng)有如下主要特點：</p><p>　?。?） 在單純前饋控制下，擾動對被控量的影響如式(7.1)所示，即<

80、/p><p><b>　　(7.2.1)</b></p><p>　　采用了前饋—反饋控制后，擾動對被控量的影響為原來的。這就證明了由于反饋回路的存在，不僅可以降低對前饋補償器精度的要求，為前饋補償器的工程實現(xiàn)提供有利的理論依據(jù)；同時，對于工況變動時所引起對象非線性特性參數(shù)的變化也具有一定的自適應能力。</p><p>　?。?） 在前饋—反饋復合

81、控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)前饋作用的完全補償，根據(jù)不變性原理知</p><p><b>　　(7.2.2)</b></p><p>　　這與在單純前饋的開環(huán)控制下所得動態(tài)前饋模型的形式完全相同。</p><p>　　對于圖7.2.1 所示系統(tǒng)結構的情況，系統(tǒng)輸出 </p><p><b>　　

82、（7.2.3）</b></p><p>　　故圖7.2.1所示系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(7.2.4)</b></p><p>　　在完全補償條件下，前饋模型即為</p><p><b>　　(7.2.5)</b></p><p>　　可見，

83、此時前饋控制器的特性，不但取決于過程擾動通道及控制通道特性，還與反饋控制器的控制規(guī)律有關。</p><p>　　7.3 利用Matlab仿真軟件調節(jié)控制器參數(shù)</p><p>　　當無前饋的時候，得到如下圖</p><p>　　圖7.3.1 無前饋時副回路進水流量的曲線圖</p><p>　　當前饋補償放大系數(shù)等于0.8865（計算所得

84、）</p><p>　　圖7.3.2 前饋系數(shù)為0.8865時副回路進水流量的曲線圖</p><p>　　當前饋補償放大系數(shù)為5的時候，為過補償，如下圖</p><p>　　圖7.3.3 前饋系數(shù)為5時副回路進水流量的曲線圖（過補償）</p><p>　　當前饋補償放大系數(shù)為0.08的時候為欠補償時，得到</p><p

85、>　　圖7.3.4 前饋系數(shù)為0.08時副回路進水流量的曲線圖（欠補償）</p><p><b>　　8. 結論</b></p><p>　　到這里，所有建模過程及系統(tǒng)設計部分已經(jīng)結束。</p><p>　　縱觀全過程，我們首先熟悉了整個水箱控制系統(tǒng)的建模過程。掌握了基本的建模方法。接著，我們運用經(jīng)驗湊試法整定PID參數(shù)，從而得到較好的

86、控制效果。</p><p>　　本設計是單回路，串級和前饋水箱液位控制系統(tǒng)的設計，目的是要對水箱液位有良好的控制。采用PID算法控制，可以極大地消除控制系統(tǒng)工作過程中的各種擾動，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，滿足基本的控制要求。如果有一較大的擾動，一般可以通過設計串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)來解決。但是兩種方法有不同的適用條件。可測不可控干擾無法設計串級控制系統(tǒng)來抑制干擾。但是可測可控的因素可以通過設計串級控制系統(tǒng)，快

87、速抑制擾動。例如旁路閥流量是可測的變量，并且可以通過控制調節(jié)變頻器，使副回路水泵的轉速改變，從而調節(jié)進水流量。所以就可以設計串級控制系統(tǒng)來一直擾動。使系統(tǒng)較快回復穩(wěn)定。</p><p>　　而在比較當中，串級系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時間，減小了對象時間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強。串級系統(tǒng)輸出曲線的調節(jié)時間縮短，使系統(tǒng)更早進入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而前

88、饋控制又能提前給一階躍信號，從而迅速地抵消擾動對系統(tǒng)的影響。</p><p>　　對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應輸出曲線對比可知，串級控制系統(tǒng)由于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動態(tài)性能、工作頻率及自適應能力都得到明顯改善。對比前饋控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)可以得出，由于 前饋系統(tǒng)增加了反饋環(huán)節(jié)，從而能使系統(tǒng)的調節(jié)速度，以及抗干擾能力得到更加優(yōu)良的改善。</p><p>

89、　　9. 收獲、體會和建議</p><p>　　通過這段時間我們的努力嘗試，過程控制課程設計已經(jīng)接近尾聲。我們是以小組為單位來進行設計的，我想這其中的酸甜苦辣只有親自經(jīng)歷過，才能深刻體會到。這不是一個人的辛苦成果，使我們大家共同努力所得。我自己也從這次課程設計中收獲頗豐。我們在先前已經(jīng)進行了過程控制課程的學習，讓我們對各種控制系統(tǒng)以及生產(chǎn)控制過程中所運用的一些理論知識有了初步的了解。但是很難把這些知識與實際聯(lián)系起

90、來。課程設計讓我有了這次機會，我們通過在一流實驗室里，利用水箱系統(tǒng)，探究了書本中所學的一些理論知識。包括串級控制系統(tǒng)與前饋——反饋控制系統(tǒng)等。也讓我們對PID參數(shù)的整定有了詳細的了解。</p><p>　　剛開始建模時，難免遇到了許多困難，但是經(jīng)過組內成員的熱烈討論后，我們慢慢走上了正軌。很多東西也變得輕車熟路起來。我想這也是我這次課程設計的另外一大收獲吧。讓我更加深刻的體會到與人溝通的藝術以及團隊合作的重要性。

91、還有一點就是，由于實物系統(tǒng)難以實現(xiàn)一些控制系統(tǒng)的控制效果，故我們是用仿真的辦法來完成的。這也讓我對MATLAB的應用有了很好的認識。為我以后的學習及工作奠定了很好的基礎。</p><p>　　最后，非常感謝多位老師的悉心教導，由其是王姝老師，每天都與我們進行溝通，了解每一組的設計進度。并且在我們遇到討論無果的時候，及時的給與我們幫助。謝謝學校能讓我們擁有這次動手實踐的機會，使我們能夠理論與實際相結合，為我們的學習