双容水箱液位串级控制项目设计方案

1 双容水箱液位串级控制项目设计方案 1 引言 面液位控制可用于生产生活的各方面。如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。本文针对双容水箱，以下水箱液位为主控制对象，上水箱为副控制对象。选择进水阀门为执行机构，基于 模仿真，采用 制算法，整定 出合理控制参数。 2 对象分析和液位控制系统的建立 箱模型分析 现以下水箱液位为主调节参 数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图 1所示。 图 1 双容水箱液位控制示意图 系统主要由调节器 调节器 节阀、上水箱、下水箱、压传感器 用水泵将储水槽中的水输出，通过电动调节阀调节上水位进水流量，使下水箱液位保持恒定。 跃响应曲线法建立模型 2 阶跃响应是指输入变量的变化引起的系统时间响应，可测定系统的阶跃响应，从而拟合系统传递函数。系统通过泵供水，首先手动调节阀开度，改变水箱液位给定量，相当于施加了输入量的阶跃变化，从而得到响 应曲线。 即上水箱的传递函数为： 【 1】 1108 （ 2 下水箱的传递函数为： 011 0 0 4 6 （ 2 图 2水箱模型测定原理图 制系统选择 2】 （ 1） 静态偏差：系统过渡过程终了时的给定值与被测参数稳态值之差； （ 2） 衰减率：闭环控制系统被 施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在 （ 3） 超调量：输出响应中过渡过程开始后，被控参数第一个波峰值与稳态值之差，占稳态值的百分比，用于衡量控制系统动态过程的准确性； （ 4） 调节时间：从过渡过程开始到被控参数进入稳态值 +5%范围所需的时间。 由于实验用水箱外部干扰较多，且波动也较明显，干扰变化剧烈，所以本设 3 计采用串级控制方案。串级控制可获得中间变量，并且可组成副反馈回路，这样可以对 影响中间变量的干扰进行提前调节，对从副回路进入的干扰有较强的调节能力，改善系统的动态特性，还能减小系统的时间常数，对操作情况有较强的适应能力，从而使整个系统的控制效果得到改善，采用液位 3】 设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每个回路又有自己的调节器和控制对象。主回路中的调节器称主调节器，控制主对象。副回路中的调节器称副调节器，控制副对象。主调节器有自己独立的设定值 R，它的输出 为副调节器的给定值，副调节器的输出 改变主参数 通过针对双容水箱液位被控过 程设计串级控制系统，将使系统的输出响应在稳态时，系统的被控制量等于给定量，实现无差调节，并且使系统具有良好的动态性能，较快的响应速度。当有扰动 f1(t)作用于副对象时，副调节器能在扰动影响主控参数之前动作，及时克服进入副回路的各种二次扰动，当扰动 f2(t)作用于主对象时，由于副回路的存在也应使系统的响应加快，使主回路控制加强。 图 3 串级控制系统框图 级控制系统设计 应选择被控过程中能直接反映生产过程中产品产量和质量，又易于测量的参数。在双容水箱控制系统中选择下水箱的液 位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。如果调节欠妥，会造成整个系统控制设计的失败，且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，包括值读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计 4 被控对象 积分 微分 比例 r(t) u(t) y(t) e(t) 等。 从双容水箱系统来看，影响液位有两个量，一是通过上水箱流入系统的流量，二是经下水箱流出系统的流量。调节这两个量都可以改变液位的高低。但当电动调节阀突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水，导致水箱中水过多溢出，造成浪费或事故。所以选择流入 系统的流量作为控制参数更合理一些。 为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力。主副回路时间常数之比应在 3 到 10 之间，以使副回路既能反映灵敏，又能显著改善过程特性。下水箱容量滞后与上水箱相比较大，而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题，所以选择主对象为下水箱，副对象为上水箱。 根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律，为了实现液位串级控制，使用双闭环结 构，主调节器选择比例积分微分控制规律（ 对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率（ 对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系统。 3 5 图 4 法 定性好、安全可靠、调整方便，是目前采用最多的控制方法之一。 用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。其算法为： 【 4】 制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值 )(实际值 )(成控制偏差： )()()( ()()()(0 1)11()( )()( 式中， 比例系数， 积分常数， 为微分时间常数，为积分系数，K 为微分系数。 制器各校正环节的作用 (1)比例控制（ P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制的输出与偏差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 (2)积分控制（ I）：在积分控制中，控制器的输出与偏差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中步序引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分。随着时间的增加，积分项会越大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振 6 荡过程。比例 +积分（ 制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 (3)微分控制（ D）：在微分控制中，控制器的输出与偏差信号的微分（即偏差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例 +微分的控制器，就能提前抑制误差的控制 作用等于零，甚至为负值，从而避免被控量严重超调。 只有三者协调作用，才能达到满意的控制效果。因此，参数整定至关重要。 4 系统仿真 通过 控制框图代替了程序的编写，只需要选择合适仿真设备，添加传递函数，设置仿真参数。下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真，以模拟实际中的阶跃响应曲线，考察串级系统的设计方案是否合理。 校正系统的稳定性 根据未校正系统的开环传递函数可以画出系统的结构图。 系统结构图如图 5所示。我们也用 的工具 时仿真得到响应的阶跃响应曲线。未校正系统的阶跃响应曲线如图 6所示。 图 5未校正系统结构图 7 图 6未校正系统的阶跃响应曲线 从图 6 未加校正双容水箱水位控制系统阶跃响应曲线可以看出系统不稳定。 制 编写程序： 108 1; g1=tf(n1,5);%上水箱开环传递函数 );%上水箱闭 环传递函数 100 1; g2=tf(n2,10);%下水箱传递函数 gc=级控制系统开环传递函数 ) ) ) )%单位负反馈系统阶跃响应 8 - 2 5 0- 2 0 0- 1 5 0- 1 0 0- 5 000 . 9 4 9 1- 1 . 4 7 4 60x 1 06 o d e D ia g r a mF r e q u e n c y ( r a d / s )图 7未校正的 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2 0 . 4- 0 . 2- 0 . 1 5- 0 . 1- 0 . 0 500 . 0 50 . 10 . 1 50 . 2N y q u is t D ia g r a mR e a l A x 图 8 未校正系统的 9 S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c o n d s )00 200 300 400 500 600 70000 . 0 20 . 0 40 . 0 60 . 0 80 . 10 . 1 20 . 1 4S y s t e m : u n t i t l e d 1R i s e t i m e ( s e c o n d s ) : 2 3 4S y s t e m : u n t i t l e d 1S e t t l i n g t i m e ( s e c o n d s ) : 4 0 5S y s t e m : u n t i t l e d 1P e a k a m p l i t u d e : 0 . 1 3 6O v e r s h o o t ( % ) : 0 . 0 3 5 9A t t i m e ( s e c o n d s ) : 6 7 6S y s t e m : u n t i t l e d 1F i n a l v a l u e : 0 . 1 3 6图 9 未校正系统的单位阶跃响应曲线 由图 7、 8、 9也可以看出系统处于非稳定状 态。 控制器后的稳定性 步调整 图 10校正后的双容水箱液位串级控制系统结构图 10 图 11副回路 图 12主回路 11 图 13副回路输出曲线 图 14串级 从 真的系统单位阶跃响应曲线可以看出我们所设计的串联 面我们将求出阶跃系统响应的动态性能指标的具体值。 同参数响应曲线 主回路控制器不同参数的调整响应曲线： 12 情况一： 13 情况二： 14 副回路控制器不同参数的调整响应曲线： 情况一： 15 情况二： 正后系统输出动态性能 为了方便查看校正后系统输出动态性能，本文将采用初步设定的 16 主回路 5 K ， 0副回路 10 K ， 0运用程，绘制加了 制器后系统的阶跃响应输出曲线， 及对未加校正和加校正的系统进行比较。 统阶跃响应输出曲线 t=0:00; 108 1; tf(n1,5);%上水箱传递函数 0; ;%副回路 s=s); ; g1=);%副回路加 ; ;%主回路 制参数 100 1; tf(n2,10); s=s); ; GO=c2*级系统开环传递函数 g2=O,1)%级系统闭环传递函数 ) :,t)%加 制器的串级控制系统阶跃响应 ) O) ) O) 17 S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c o n d s )0 100 150 200 250 300 350 400 450 500- 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 811 . 2S y s t e m : g 2F i n a l v a l u e : 1S y s t e m : g 2S e t t l i n g t i m e ( s e c o n d s ) : 1 9 2S y s t e m : g 2P e a k a m p l i t u d e : 1 . 1 3O v e r s h o o t ( % ) : 1 2 . 8A t t i m e ( s e c o n d s ) : 1 2 4S y s t e m : g 2R i s e t i m e ( s e c o n d s ) : 4 9 . 9图 15校正后的串级控制系统阶跃响应曲线 - 1 5 0- 1 0 0- 5 00500 . 9 1 2- 4 . 6 0 8- 2 . 3 0 40x 1 04 o d e D i a g r a mF r e q u e n c y ( r a d / s )图 16校正后系统的 18 - 1 . 2 0 . 8 - 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 0 . 2- 2 0- 1 5- 1 0y q u i s t D i a g r a mR e a l A x i 7校正后系统的 论分析 比较图 7和图 16，图 8和图 17，图 9和图 15，不难发现加了 的提升，如果想得到更好的性能指标，需要进一步调整主副回路 本设计就针对以上仿真结果列出下表，以更加清楚对比加校正前后系统的指标变化。 表 1 校正前后系统指标比较 由表格数据分析 制前后系统动态性能和稳态性能，调节时间由 40592s，上升时间由 234s 降到 速性比较好。加 制器后终值稳定在 1。但是系统超调量增加。 生产生活中的应用十分广泛，因为 作稳定，相对简单等优点。 本文通过对双容水箱串级 标 超调量 峰值 上升时间 s/ 峰值时间 s/ 调整时间 s/ 终值 未加校正 34 676 405 24 192 1 19 通过本文实例不难看出，加了 的性能较好，系统跟踪参考输入信号能力强、调节时间短。 到“快”的特性，而此次展现动态性能的缺点就在于没有将微分控制器加入系统进行调试，还有就是没考虑加入干扰信号后的仿真调试。 5 加有干扰信号的系统参数调整 加有干扰信号的双容水箱液位串级控制系统结构图 副回路 20 主回路 21 6 心得体会 此次课程设计，受益匪浅。整个过程遇到很多的问题和挑战，最大的问题就是对 具箱的不了解。同时也让 我认识到自身的不足。另外让我感触最深的就是，凡是仅靠自身的能力是不行的，要适时向老师和同学请教，发挥不耻下问的精神才能收获更多