水箱液位控制课程设计-自动化

课课 程程 设设 计计 报报 告告 设计题目 水箱液位控制系统 班 级 自动化0901班 学 号 20092400 姓 名 刘弟文 指导教师 王姝 梁岩 设计时间 2012 年 5 月 7 日至 5 月 25 日 摘要摘要 水箱液位控制系统是典型的自动控制系统 在工业应用上可以模拟水塔液位 炉内成 分等多种控制对象的自动控制系统 本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调 节阀控制水箱液位高度 首先通过测取被控液位高度过程的图像 建立了主回路的进水流 量和主管道流量 进水流量和水箱 上 液位高度 副回路进水流量和水箱 上 液位 双容水箱的进水流量和水箱 下 液位之间的数学模型 从而加强了对液位控制系统的了 解 然后 通过参数试凑法对 PID 参数的调试 实现了单容水箱液位 上 的单回路控制 系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计 最后通过 MATLAB 仿真实验 加 深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解 对工业控制工程 中对控制系统设计过程有了一定的认识 关键词关键词 水箱液位 控制器 PID 参数整定 串级控制 前馈控制 目目 录录 1 1 引言引言 3 2 2 课程设计任务及要求课程设计任务及要求 3 2 1 实验系统熟悉及过程建模 3 2 2 实现单容水箱 上 液位的单回路控制系统设计 3 2 3 实现双容水箱液位 上下水箱串联 的单回路控制系统设计 4 2 4 实现水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统设计 4 2 5 实现副回路进水流量的前馈控制 5 3 3 实验系统熟悉及过程建模实验系统熟悉及过程建模 5 3 1 系统结构 5 3 2 过程建模 6 3 2 1 进水流量和主管道流量模型 6 3 2 2 进水流量和上水箱液位模型 8 3 2 3 副回路流量与上水箱液位数学模型 9 3 2 4 双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 11 4 4 单容水箱液位的单回路控制系统设计单容水箱液位的单回路控制系统设计 12 4 1 结构原理 12 4 2 单容水箱控制器 PID 参数整定 13 4 2 1 单容水箱比例系数 Kp 的整定 14 4 2 2 单容水箱积分时间参数整定 14 4 2 3 单容水箱微分时间参数整定 15 4 3 单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 15 4 4 单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 16 4 5 干扰频繁剧烈变化的解决办法 17 5 5 双容水箱液位的单回路控制系统设计双容水箱液位的单回路控制系统设计 17 5 1 双容水箱单回路控制系统原理 17 5 2 双容水箱控制器 PID 参数整定仿真实验 19 5 2 1 比例参数的整定 19 5 2 2 积分常数参数的整定 20 5 2 3 微分常数参数的整定 20 5 3 双容水箱抗干扰能力检验 21 5 4 双容水箱提高控制质量方法 21 6 6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 22 6 1 串级副回路参数整定 24 6 2 串级主回路参数整定 25 6 2 1 串级主回路比例参数整定 26 6 2 2 串级主回路积分参数整定 26 6 2 3 串级主回路微分参数整定 27 6 2 4 串级控制系统给定负阶跃响应曲线 27 6 3 副回路进水流量剧烈变化解决办法 27 7 7 副回路进水流量的前馈控制副回路进水流量的前馈控制 28 7 1 副回路进水流量和水箱上液位前馈 反馈复合控制系统 28 7 2 前馈控制器模型的确立 28 7 3 前馈 反馈复合控制系统 PID 参数整定 29 7 4 前馈 反馈复合控制系统不加前馈控制器 29 8 8 收获体会和建议收获体会和建议 30 1 引言引言 通过本次课程设计 加深了对自控控制系统理论知识的理解 了解了一些工业生产过 程中控制系统设计的过程 结合了所学的理论知识和实际工业应用过程 提高了动手能力 通过对系统过程的建模及 PID 参数整定 对自动控制系统设计步骤有了更清晰的步骤 并发现自己理论知识的不足的地方 在今后的过程中应加强学习自己所缺乏的理论知识 针对本次课程设计过程对老师们提出一点建议 本次课程设计的程序 界面都是事先 做好的 我觉得下次老师可以把写程序和编界面作为课设的内容 让同学们有机会真正的 熟悉设计一套控制系统的过程 2 课程设计任务及要求课程设计任务及要求 2 1 实验系统熟悉及过程建模实验系统熟悉及过程建模 描述实验系统的总体结构 结构图及语言描述 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型 要求写出具体 的建模步骤及结果 利用实验建模方法建立进水流量和水箱 上 液位之间关系的数学模型 要求写出 具体的建模步骤及结果 记录该对象的阶跃响应曲线 2 种不同幅值的阶跃扰动 利用实验建模方法建立副回路流量和水箱 上 液位之间关系的数学模型 要求写 出具体的建模步骤及结果 记录该对象的阶跃响应曲线 2 种不同幅值的阶跃扰动 利用实验建模方法建立双容水箱 上下串联 的进水流量 上水箱进水 和水箱 下 液位之间关系的数学模型 要求写出具体的建模步骤及结果 记录该对象的阶跃响 应曲线 2 种不同幅值的阶跃扰动 2 2 实现单容水箱 上 液位的单回路控制系统设计实现单容水箱 上 液位的单回路控制系统设计 画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的各部 分环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 采用经验凑试法调节 PID 参数 使液位设定值发生阶跃变化时 控制系统达到满意 的控制质量 要求在 PID 参数调试过程中 按控制质量从坏到好分别 P PI PID 记录 6 组以上的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 并说明你做参数进一步调 整的原因 进而掌握 PID 控制作用对控制质量的影响 控制系统稳态时 打开旁路干扰阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录 与其对应的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要去调整 PID 参数 打开副回路进水阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制 系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要去调整 PID 参数 2 3 实现双容水箱液位 上下水箱串联 的单回路控制系统设计实现双容水箱液位 上下水箱串联 的单回路控制系统设计 画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的各部 分环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 采用经验凑试法调节 PID 参数 使液位设定值发生阶跃变化时 控制系统达到满意 的控制质量 要求在 PID 参数调试过程中 按控制质量从坏到好分别 P PI PID 记录 6 组以上的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 并说明你做参数进一步调 整的原因 进而掌握 PID 控制作用对控制质量的影响 控制系统稳态时 打开旁路干扰阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录 与其对应的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要去调整 PID 参数 打开副回路进水阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制 系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要去调整 PID 参数 2 4 实现水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统设计实现水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统设计 画出此串级控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的各部分 环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 分析该控制系统和液位 单回路控制系统相比有哪些变化 这些变化会使得该系统有哪些优势 采用经验凑试法调节主 副控制器参数 使控制系统达到满意的控制质量 要求写 出调试控制器参数的具体步骤 在 PID 参数调试过程中 记录 10 组以上的控制系统过渡 过程 过渡过程曲线 控制质量指标 来说明你的调试过程 并说明你做参数进一步调整 的原因 在设定值发生阶跃变化 设定值阶跃增大及设定值阶跃减小 时 观察并记录控制 系统的过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 打开旁路干扰阀 较大幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制系统过渡过程 过 渡过程曲线 控制质量指标 并和 1 中 的控制质量进行对比 分析并说明控制质量 变化的原因 打开副回路进水阀 较大幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 并和 1 中 的控制质量进行对比 分析并说明控制 质量变化的原因 2 5 实现副回路进水流量的前馈控制实现副回路进水流量的前馈控制 画出此前馈 串级复合控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图 中的各部分环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 分析该控制 系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化 这些变化会使得该系统有哪些优势 试求解前馈控制器的模型 采用简化模型代替前馈控制器 利用 Matlab 仿真软件调节前馈控制器参数 使得 副回路进水流量发生剧烈变化时 控制系统达到满意的控制质量 写出前馈控制器参数的 调试步骤 记录与其对应的 6 组以上的控制系统过渡过程 包括 过渡过程曲线 控制质 量指标 充分反映你的参数调试过程 3 实验系统熟悉及过程建模实验系统熟悉及过程建模 3 1 系统结构系统结构 实验室有两套水箱液位系统控制 主管道控制系统是由控制器 调节阀 电磁流量计 上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成 副管道控制系统由控制器 变频器 涡轮流 量计 上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成 下面以主管道上水箱液位控制系统为 例说明控制系统工作过程 系统有自动和手动模式 如图 3 1 所示 调节阀为气开阀 水箱液位过程为正过程 控制器为反作用方式 图 3 1 系统结构图模式 当设置系统工作方式为自动时 可以设置水箱液位高度 r 通过 PID 控制器的设置 控制调节阀的开度 从而保持水箱的液位高度稳定 如果出现扰动 通过水箱液位检测器 反馈 并与设定值进行比较 如果反馈值大于设定值 则 e0 通过反作用方式控制器时控制器的输出为负 减 小调节阀的开度 从而使水箱液位减小 同样能保证液位保持稳定值不变 其调节过程如 下 图 3 2 水箱液位调节过程 系统也可以设置手动模式 此时通过开关切换跳过 PID 控制器直接对调节阀的开度进 行设置 可以改变进水流量 从而改变水箱液位高度 使液位高度达到新的平衡 3 2 过程建模过程建模 控制质量的优劣是工业过程自动控制中最重要的问题 它主要取决于自动控制系统的 结构及组成控制系统的各个环节的特性 为了很好的控制一个过程 需要知道当控制量变 化一个已知量时 被控量如何改变并最终将改变多少以及向哪个方向改变 被控量的变化 将需要经历多长时间 被控量随时间变化的曲线形状等 这些均依赖于被控过程的数学模 型 因此 建立被控过程的数学模型是自动控制系统分析与设计中的重要环节 被控过程 的数学模型是指被控过程的输出变量与输入变量之间的函数关系数学表达式 测取阶跃响应曲线的目的是为了得到表征所测对象的数学模型 为分析 设计控制系 统 整定控制器参数或改进控制系统提供必要的参考依据 由阶跃响应曲线确定过程得数 学模型 首先就要选定模型得结构 然后再由阶跃响应曲线确定过程的放大系数 时间常 数以及时间滞后 就可以得到被控过程的数学模型 3 2 1 进水流量和主管道流量模型进水流量和主管道流量模型 关闭副管道回路控制系统 利用主管道将系统工作模式切换至手动方式 控制上水箱 液位 图 3 3 手动模式给定阶跃响应曲线 首先将阀的开度设置为 20 然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定 实现无扰动调节 突然改变阀的开度 模拟给定阶跃变化 观察上主管道流量变化情况 如图 3 所示 图中红线为阀的开度曲线 可以看出是一个阶跃信号 粉红色曲线为电磁流量曲线 通过放大可以近似为无滞后一节惯性模型 可以假设流量变化模型为 3 1 0 0 0 1 K W s T s 一阶非周期过程比较简单 只需确定放大系数及时间常数即可获得传递函数模型 0 K 0 T 确定静态放大系数 利用所测取的阶跃响应曲线估计并绘出被控量的最大稳态值 0 K 如图 4 所示 放大系数为 y 0 K 3 2 xyyK 0 0 确定时间常数 由响应曲线起点作切线与相交点在时间轴上的投影 就是时间常数 0 T y 由于切线不易作准 从式 3 15 可知 所以响应曲线 0 T 632 0 632 0 00 yxKTy 所对应的时间就是时间常数 同理响应曲线所对应的时 632 0 1 yty 1 t 0 T 865 0 2 yty 间是 2 倍时间常数 即 2 t 0 2T 0 y y 0 T 0 T 0 2T 865 0 y 632 0 y t y 图 3 4 无滞后一阶对象的响应曲线 通过 wincc 界面测得数据 电磁流量初始稳态值 y1 0 1885 给定幅值 为 10 阶跃R 响应后重新达到稳态值 y2 0 2517 可以计算出 3 3 3 0 0 25170 1885 0 6 32 10 10 KyyR 同时可以计算出 T0时刻电磁流量值 3 4 0 0 25170 1885 0 6320 18850 2063 T y 可以对应查找 t1 63 2 的值如下表所示 表 3 1 电磁流量 T0时刻表 电磁流量 t0 0 t1 63 2 时刻 04 04 1304 04 21 由此可以计算出 T0的值 3 5 010 8Ttts 综上所述 得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为 3 6 3 0 6 32 10 81 W s s 3 2 2 进水流量和上水箱液位模型进水流量和上水箱液位模型 图 3 3 所示黄色曲线为上水箱液位高度曲线 同样可以看出上水箱液位和主管道流量 同样满足一阶惯性环节 上水箱液位和进水流量液位之间的模型为 3 7 0 11 1 1 1 T s W sK Ts 但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数 即 所以模型可以近 10 TT 似为一阶惯性模型 3 8 1 1 1 1 K W s Ts 通过 Wincc 界面测得数据 电磁流量初始稳态值 h1 2 90 进水流量近似为阶跃响应 计算其幅值时可以把最大值和最小值换算成 100 的阶跃 当阀的开度为 100 时 电磁流 量为 0 6948 所以有 3 9 0 25170 1885 100 0 6948 x 重新达到稳态值 h2 13 60 可以计算出 K0 同时可以计算出 T0时刻电磁流量值 3 10 0 0 1 19Khhx 3 11 0 13 602 90 0 632 13 609 66 T h 可以对应查找 h1 63 2 的值如下表所示 表 3 2 上水箱液位 T1时刻表 上水箱液位 h0 0 h1 63 2 时刻 04 04 1304 06 53 由此可以计算出 T0的值 3 12 110 160Ttts 综上所述 得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为 3 13 1 1 19 1601 W s s 3 2 3 副回路流量与上水箱液位数学模型副回路流量与上水箱液位数学模型 关闭主管道回路控制系统 利用副管道将系统工作模式切换至手动方式 控制上水箱 液位 首先将变频器输出频率设置为 30Hz 然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保 持稳定 实现无扰动调节 突然改变变频器输出为 35Hz 模拟给定阶跃变化 观察上主管道流量变化情况 如 图 3 5 黄色曲线为上水箱液位高度曲线 同样可以看出上水箱液位和副管道流量同样满足 一阶惯性环节 上水箱液位和进水流量液位之间的模型为 3 14 22 2 1 1 Ts W sK T s 图 3 5 副回路手动模式给定阶跃响应曲线 但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数 即 所以模型可以近 1 TT 似为一阶惯性模型 3 15 2 2 2 1 K W s T s 通过 wincc 界面测得数据 电磁流量初始稳态值 h1 2 092 副管道进水流量近似为 阶跃响应 同样 计算其幅值时可以把变频器输出最大值和最小值换算成 100 的阶跃 当 变频器最大为 60HZ 时 涡轮流量为 0 4513 于是 3 16 0 19130 091 100 0 4513 x 重新达到稳态值 h2 18 25 可以计算出 K0同时可以计算出 T2时刻电磁流量值 3 17 0 0 0 78Khhx 3 18 2 18 252 092 0 632 18 2512 304 T h 可以对应查找 h1 63 2 的值如下表所示 表 3 3 上水箱液位 T2时刻表 上水箱液位 h0 0 h1 63 2 时刻 10 53 0710 55 56 由此可以计算出 T0的值 3 19 210 169Ttts 综上所述 得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为 3 20 2 0 78 1691 W s s 3 2 4 双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 下水箱液位高度曲线如下图绿色曲线所示 图 3 6 下水箱液位高度曲线 从图可以看出为 S 状的阶跃响应曲线若对模型精度要求较高 则应采用二阶对象的模 型结构 故可以假设下水箱液位和进水流量液位之间的模型为 3 21 3 12 1 1 o K W s TsT s 式中 的求法如下 0 K 1 T 2 T 第一 求取过程的静态放大系数 0 K 3 22 3 0 1 3Kyyx 第二 可根据阶跃响应曲线上的两个点来确定 如图7所示 首先读取 1 T 2 T 和所对应的时间 和 值 测量时刻如表3所示 由此可以计算 4 0 1 yty 8 0 2 yty 1 t 2 t 出 然后利用下式计算 1 238ts 2 510ts 1 T 2 T 图3 7 S状阶跃响应曲线 表3 4 双容下水箱液位时刻表 下水箱液位 h0 0 h1 40 h1 80 时刻 04 04 1304 08 1104 12 43 计算发现 可采用下式所示的二阶环节近似 即 46 0 21 tt 3 23 3 3 2 3 1 K W s T s 此时 时间常数为 3 24 12 3 171 56 2 2 18 tt T 综上所述可知双容水箱串级下水箱液位与进水流量模型 3 25 2 1 3 171 561 o W s s 4 单容水箱液位的单回路控制系统设计单容水箱液位的单回路控制系统设计 4 1 结构原理结构原理 在设计过程控制系统时 如何选择控制器 以满足生产工艺要求至关重要 如果选择 不当 可能根本达不到控制要求 本次课程设计通过对 PID 控制器参数整定 进一步熟悉 了过程控制系统设计过程 单回路控制系统的控制原理图如图 4 1 所示 图 4 1 单回路控制系统原理图 根据原理图可以画出对应的系统方框图如下 图 4 2 单回路控制系统的控制原理方框图 PID 控制器是调节器 需要我们手动设置参数 其传递函数为 4 1 1 1 cd i W sKT s Ts 调节阀为气关阀 随输入信号增大通过水流量也增大 上水箱液位控制过程之前已经 建立过模型 其传递函数为 4 2 0 1 o o K W s T s 当工作模式切换到自动模式时 PID 控制器工作 手动设定液位高度 液位检测器检 测实际水箱液位高度与设定值进行比较 如果有偏差 通过 PID 控制器 可以改变调节阀 的开度 从而改变水箱液位高度 使得水箱液位与设定值相等 当出现扰动使液位高度改变时 通过 PID 控制器同样能使液位高调节到设定值不变 4 2 单容水箱控制器单容水箱控制器 PID 参数整定参数整定 系统设计需要调节 PID 参数 使液位设定值发生阶跃变化时 控制系统达到满意的控 制质量 本次课程设计中采用经验凑试法整定 PID 参数 达到的控制效果满足控制要求 经验凑试法 现场凑试法 是根据经验先将控制器的参数放在某一数值上 直接在闭 环控制系统中通过改变设定值施加扰动 观察过渡过程曲线形状 运用 对过渡 I T D T 过程的影响为依据 按规定的顺序对比例度 积分时间和微分时间逐个进行反复凑 I T D T 试 直到获得满意的控制质量 本次课程设计认为比例作用是基本的控制作用 因此 首先把比例度凑试好 待过渡 过程已基本稳定 然后加积分作用以消除余差 最后加入微分作用以进一步提高控制质量 实验操作时 需要把控制方式切换到自动模式 首先设定积分时间常数 微分时 I T 间常数 比例系数P从小到大改变以试出比较理想的控制效果 0 D T 4 2 1 单容水箱比例系数单容水箱比例系数 Kp 的整定的整定 如图4 3 图4 4所示为调试比例系数过程 KP 5时达到稳定的时间比较大 需要增大 比例作用 所以KP应该增大 当KP 18时达到稳定的时间短 超调也很小 所以认为此时比 例系数比较合理 图4 3 KP 5控制效果 图4 4 KP 18控制效果 但是图4 4所示的液位高度设定值是22 而达到稳定时液位高度为21 2 存在比较大 的偏差 所以需要引入积分作用 4 2 2 单容水箱积分时间参数整定单容水箱积分时间参数整定 根据经验凑试法调节步骤 首先将比力度放大10 20 取K 15不断调节TI的大小 使 之达到合适的效果 图4 5 TI 104ms 图4 6 TI 7 104ms 图4 7 TI 8 104ms 如图3 12所示 当TI 104ms 阶跃响应震荡过于剧烈 积分作用太强 应该减弱积分 作用 增大TI TI 7 104ms 递减比为7 28 1 控制效果比较好 再增大积分时间时 递 减比反而增大 如图12 TI 8 104ms 递减比为8 3 1 综合以上叙述可知 TI 7 104ms 相对最合理 从实验效果来看可以不加微分作用就能满足要求 而实际上单容水箱滞后不 明显 可以不加微分 为了加强对控制系统设计的了解 我们仍然引入了微分作用 但是 改善效果作用不大 4 2 3 单容水箱微分时间参数整定单容水箱微分时间参数整定 先将比例度减小10 20 取KP 16 2 时间常数TI 7 104ms 调节微分作用 TD 1 5 104ms时效果比较好 从图4 8所示 从图可以看出 引入微分起到的效果并不太理想 所以可以不加微分 只用PI调节 图4 8 PID调节效果 4 3 单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 通过PID控制器参数的整定 可以使输出稳态值达到设定值 且响应速度比较快 控制 效果好 但是要评价一个系统的好坏 不能只看输出值是否能达到设定值 还要看系统是 否有抗干扰能力 工业现场有很多因素会影响控制过程 我们称之为扰动 为检验系统是 否有抗干扰能力 可以在控制系统达到稳态时 打开旁路干扰阀 不同开度的旁路阀可以 模拟不同的阶跃扰动 图4 9 旁路阶跃扰动 如图4 9所示 当系统达到稳态时 打开一个较小开度的旁路阀 通过PID控制器的调 节 能很快抑制干扰 但是如果旁路阀开度太大 即干扰太大 超出了系统的调节范围 此时调节阀开度已经为0 但系统却无法重新平衡 水箱液位曲线呈发散状态 从整体效 果来看 控制系统能抑制较大的干扰 而且能快速响应扰动 控制效果好 4 4 单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 我们都知道 工业现场有很多因素会干扰控制效果 也有很多通道会出现这种干扰 刚刚我们通过改变旁路阀的开度来模拟旁路通道扰动对控制系统的影响 为了进一步检验 系统的抗干扰能力 我们选择打开副回路进水阀 模拟系统扰动因素 通过给副回路进水 阀不同开度可以不同幅值的阶跃扰动 如图4 10所示 当系统达到稳态时 给副回路进水阀一个合适的开度 通过PID控制 器的调节 能很快抑制干扰 但是如果开度太大 即干扰太大 超出了系统的调节范围 此时调节阀开度已经为0 但系统却无法重新平衡 水箱液位曲线呈发散状态 从整体效 果来看 再次说明控制系统能抑制较大的干扰 而且能快速响应扰动 控制效果好 图4 10 副回路阶跃扰动 4 5 干扰频繁剧烈变化的解决办法干扰频繁剧烈变化的解决办法 如果干扰频繁剧烈变化 一般可以通过设计串级控制系统和前馈控制系统来解决 但 是两种方法有不同的适应条件 例如可测不可控干扰无法设计前馈控制系统来抑制干扰 而可测可控的因素可以通过设计串级控制系统 快速抑制扰动 在已知被控过程传递函数 的情况下 前馈控制系统理论上可以完全消除干扰 因为旁路流量是可以测量也可以通过调节变频器的输出来控制 如果旁路流量的频繁 剧烈变化对控制质量有着严重的影响 可以设计串级控制系统来抑制扰动对控制质量的影 响 而副回路进水是可测不可控的量 所以只能设计前馈控制系统来抑制扰动对控制质量 的影响 5 双容水箱液位的单回路控制系统设计双容水箱液位的单回路控制系统设计 5 1 双容水箱单回路控制系统原理双容水箱单回路控制系统原理 双容水箱单回路控制系统是由两个水箱 一个液位高度检测器 一个控制器 一个调 节阀组成 控制对象是下水箱液位 控制原理与单容水箱一致 不同的是 双容水箱有较 大的容量滞后 所以PID控制器的设计比较麻烦 而且如果仅仅通过负反馈调节 有时候 不一定能达到控制要求 本次课程设计可能由于设备的原因 调节效果不是很理想 没有 达到需要的控制指标 所以采用MATLAB进行仿真模拟双容水箱PID控制器设计过程 双容水箱单回路控制原理图和对应的系统方框图如下 图 5 1 双容水箱单回路控制系统原理图 PID控 制器 调节阀 下水箱 液位控 制过程 液位检测 变送器 上水箱 液位控 制过程 rey 扰动1扰动2 图 5 2 双容水箱单回路控制系统的控制原理方框图 PID 控制器是调节器 需要我们手动设置参数 其传递函数为 4 3 1 1 cd i W sKT s Ts 调节阀为气关阀 随输入信号增大通过水流量也增大 上水箱液位控制过程之前已经 建立过模型 下水箱液位控制过程机理与双水箱液位一样 其传递函数形式都为 4 4 0 1 o o K W s T s 综合来看 双容水箱串联可以写成两个水箱过程相乘 通过之前的建模可以知道其传 递函数为 4 5 3 2 1 3 171 561 W s s 与单容水箱单回路控制系统类似 当工作模式切换到自动模式时 PID 控制器工作 手动设定液位高度 液位检测器检测实际水箱液位高度与设定值进行比较 如果有偏差 通过 PID 控制器 可以改变调节阀的开度 从而改变水箱液位高度 使得水箱液位与设定 值相等 与单容水箱单回路控制系统不同的是 双容水箱液位控制有滞后 调节时间长 PID 参数整定比较麻烦 当出现扰动使液位高度改变时 通过 PID 控制器同样能使液位高度调节到设定值稳定 不变 5 2 双容水箱控制器双容水箱控制器 PID 参数整定仿真实验参数整定仿真实验 可能因为实验设备的原因 无法完成PID参数整定实验 所以我们对于双容水箱液位 控制系统控制器设计采用MATLAB仿真 以熟悉控制系统设计过程 与实验单容水箱单回路控制系统实验过程一样 采用经验凑试法完成PID参数整定 MATLAB仿真实验 5 2 1 比例参数的整定比例参数的整定 双容水箱比例参数整定仿真过程如下 如图5 3 图5 4 图5 5所示 图5 3 双容水箱K 8 图5 4 双容水箱K 0 7 图5 5 双容水箱K 0 8 图5 6 双容水箱K 0 2 如图5 3所示 K 8时 曲线响应快 但是曲线波动太大 说明比例作用太强 应减小 K 当K 0 002时 曲线响应平缓 说明比例作用太弱 应该增大K 综合来看 当K 0 8时 比较合理 5 2 2 积分常数参数的整定积分常数参数的整定 图5 7 双容水箱Ti 0 002 图5 8 双容水箱Ti 0 005 图5 9 双容水箱Ti 0 004 如图所示 积分作用Ti 0 002时 曲线太平缓 作用太弱 需要增大Ti Ti 0 005时 作用 超调太大 需要且达到稳态时间太长 需要减小Ti Ti 0 004时 超调较小 上升 时间和稳态时间都比较短 所以Ti 0 004比较合理 5 2 3 微分常数参数的整定微分常数参数的整定 K 0 8 Ti 0 004的情况下 整定微分作用 图5 10 双容水箱Td 100 图5 11 双容水箱Td 0 5 图5 12 双容水箱Td 0 1 如图所示双容水箱Td 100时 微分作用太大 需要减小Td Td 0 5和Td 0 1时效果不 是很明显 但是放大图仔细观察Td 0 1时效果稍微好一些 5 3 双容水箱抗干扰能力检验双容水箱抗干扰能力检验 利用MATLAB仿真在采样t为1400时刻加入一个扰动 观察双容水箱控制器参数整定后 抗干扰能力 有图31可以看出 通过控制器PID参数的整定 双容水箱可以抑制扰动对水 箱液位高度的影响 图 5 13 双容水箱抗干扰能力 5 4 双容水箱提高控制质量方法双容水箱提高控制质量方法 无论是实验 仿真 还是实际生产过程 双容水箱液位控制由于存在较大的容量滞后 而使得响应缓慢 减弱了控制作用 响应时间慢 超调增大 在这种情况下 首先可以通 过引入微分作用抵消部分滞后造成的影响 但是双容水箱的液位控制调节时间长 动态偏差也较大 是典型的大滞后系统 若采 用简单液位信号单回路控制进水流量很难达到理想效果 因此 可以选用串级控制系统 以充分利用其改善过程的动态特性 提高其工作频率的特点 为此 可选择一个滞后较小 的副参数 组成一个快速动作的副回路 以减小等效过程的时间常数 加快响应速度 从 而取得较好的控制质量 因为实际液位受到进水流量的直接影响 应采用串级回路调节 图5 16 上下水箱液位串级原理图 根据原理图可以画出方框图如下图所示 图5 17 上下水箱液位串级方框图 6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统原理图如下 该系统相对于单回路控制系 统而言 抑制干扰能力强 干扰对液位的的影响首先会引起流量的变化 流量检测器检测 到流量变化之后 首先通过内环进行快速调节 如果扰动较小 内环能消除干扰 如果扰 动较大 通过内环能快速抑制扰动 再通过外环作用完成水箱液位控制 使液位达到稳态 值 总而言之 串级能过加快控制器消除扰动对液位高度稳态值的影响 提高抗干扰性能 图 6 1 上水箱液位与进水流量的串级原理图 根据上水箱液位与进水流量的串级原理图可以画出对应的方框图如下所示 图 6 2 上水箱液位与进水流量的串级方框图 为使串级控制系统运行在最佳状态 必须对其参数进行正确整定 串级控制系统有主 环和副环两个回路 也就有主 副两个控制器 其中任一控制器的任一参数值发生变化 对整个串级系统都有影响 因此 串级控制系统控制器的参数整定比单回路控制系统要复 杂一些 但整定的实质却是相同的 这就是通过改变控制器的参数 来改善控制系统的静 动态特性 以获得最佳的控制质量 串级控制系统从主回路来看 是一个定值控制系统 因而其控制质量指标和单回路定值控制系统是一样的 从副回路来看 它是一个随动系统 一般讲 对它的控制质量要求不高 只要能准确 快速地跟随主控制器的输出而变化就行 了 根据实际串级系统 可以将串级控制系统分为主 副两个闭合回路的实际情况 分两 步进行 第一步整定副控制器参数 第二步 把已整定好的副控制器视为串级控制系统的 一个环节 对主控制器参数进行整定 这就是所谓两步整定法 利用下图通过MATLAB对 上述要求进行仿真 图 6 3 上水箱液位与进水流量的串级仿真结构图 6 1 串级副回路参数整定串级副回路参数整定 图 6 4 串级回路内环 k 1 图 6 5 串级回路内环 k 10 图 6 6 内环 K 10 抗干扰能力 图 6 7 内环 k 100 抗干扰能力 图 6 8 K 300 抗干扰能力 图 6 9 K 400 抗干扰能力 因为副回路是一个随动系统 对它的控制质量要求不高 只要能准确 快速地跟随主 控制器的输出而变化就行了 所以只需加比例作用并进行整定 如上述几个图可以看出 PID 参数整定过程 内环比例系数 K 在一定范围内越大越好 比例系数越大 阶跃响应时间越短 且抗干扰能力越强 但是如果内环 K 太大容易引起不 稳定 如下图所示 所以选取内环比例作用 K 400 图 6 10 内环 K 500 不稳定 6 2 串级主回路参数整定串级主回路参数整定 串级控制系统从主回路来看 是一个定值控制系统 因而其控制质量指标和单回路定 值控制系统是一样的 需要视情况对比例 积分 微分作用都进行调节 6 2 1 串级主回路比例参数整定串级主回路比例参数整定 图 6 11 串级外环 K 100 图 6 12 串级外环 k 500 从图 6 11 和图 6 12 来看 外环整定 K 越大越好 实际效果也不好确定 通过家扰动 进一步确定 K 的大小 图 6 13 k 500 抗干扰能力 图 6 14 K 1000 抗干扰能力 如图 K 1000 时抗干扰能力很强 能够快速准确的抑制干扰对稳态值的影响 经过调 试 K 继续增大使系统初始值斜坡太大不合理 所以外环 K 为 1000 比较合理 6 2 2 串级主回路积分参数整定串级主回路积分参数整定 图 6 15 外环 I 100 抗干扰能力 图 6 16 外环 I 1000 抗干扰能力 加入积分 Ti 100 之后 条件效果并不是很明显 当 Ti 1000 时 抗干扰速度加快 但是给定阶跃响应时刻曲线谐波也大 随着 Ti 继续增大 给定阶跃响应时刻谐波太大 容易的设备造成不良影响 不宜采