单容水箱液位控制系统设计

1、分类号分类号 密级密级 udc 过程控制系统设计作业过程控制系统设计作业 单容水箱液位控制系统设计 学生姓名学生姓名 xxxxxxxxxxxx 学号学号 xxxxxxxxxxxx 任课教师任课教师 xxxxxxxx 院、系、中心院、系、中心 工程学院自动化及测控系工程学院自动化及测控系 专业年级专业年级 xxxx 级自动化级自动化 提交日期提交日期 2013 年年 10 月月 日日 中中 国国 海海 洋洋 大大 学学 文档历史文档历史 序号说明编制人版本号编制日期 1文档创建xxword20072013.10.22 2水箱建模xxword20072013.11.10 3p、i 设计及仿真xxw

2、ord20072013.11.15 4pi、pid 设计及仿真xxword20102013.11.23 5单闭环修改xxword20132013.12.1 6串级设计及仿真xxword20132013.12.11 7串级设计及仿真xxword20132013.12.25 8串级修改xxword20132013.12.27 9前馈设计及仿真xxword20132013.12.28 10实验报告xxword20132013.12.29 11实验报告xxword20132013.12.30 12总结、摘要及参考文 献 xxword20132013.12.30 摘 要 i 单容水箱液位控制系统设计 摘

3、摘 要要 本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈 反馈控制系统的设计方案，实现对水箱液位的控制。本论文还针对每种控制系统， 在 matlab 的 simulink 中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，并且利用仿真曲 线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标 iae 等。单闭环控制系统的设计包括 p、i、pi 和 pid 的设计。本文分别通过衰减 频率特性法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。 本论文还通过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计方 案进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制

4、可提高系统性能。 关键词：关键词： pidpid；串级；前馈反馈；参数整定；串级；前馈反馈；参数整定；simulinksimulink abstract ii design on water level control in a tank abstract this thesis provides design methods of single closed-loop control system, cascade control system and feed forward control system about the controlled object a single water

5、 tank , and it achieves the goal of controlling level. for every kind of control system, simulation model is established by using simulation tool matlab, simulation curves can analysis the performance of control system, such as the maximum percent overshoot, settling time, attenuation rate and iae.

6、the design of single closed-loop control system includes designs of p, i, pi and pid. the controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .all the control design methods included are compared by simulation curves and performance indexes and we finall

7、y find that cascade control and feed forward control are able to improve systems performance. keywords: pid；cascade；feedforward- feedback；parameter tuning；simulink 目 录 目 录 摘摘 要要.i abstract.ii 1设计要求及内容设计要求及内容.1 2单容水箱系统建模单容水箱系统建模 .3 3单闭环控制系统设计单闭环控制系统设计.5 3.1比例控制系统设计.5 3.2积分控制系统设计.7 3.3比例-积分控制系统设计.9 3.

8、4比例-积分-微分控制系统设计.12 4串级控制控制方案设计串级控制控制方案设计.16 5前馈控制方案设计前馈控制方案设计.18 6实验室水箱实验报告实验室水箱实验报告.19 6.1压力单闭环实验.19 6.2液位单闭环实验.20 6.3上水箱液位和流量组成串级实验.22 6.4前馈反馈控制实验.24 7总结总结.26 参考文献参考文献.27 附录附录.28 单容水箱控制系统设计 1 1设计要求及内容设计要求及内容 图 1 单容水箱液位控制系统 单容水箱液位控制系统如题图 1 所示。已知 f=1000cm2，r=0.03s/cm2。 调节阀为气关式，其静态增益，液位变送器静态增益 3 28cm

9、 /s ma v k 。1ma/cm m k (1) 画出该系统的传递方框图； (2) 对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解 f、r、kv、km 的物理 意义和量纲的关系。 (3) 采用单闭环控制，分别设计 p、i、pi、pid 调节器，定义性能指标，对控 制性能进行评价。 (定义哪些性能指标进行评价？) (4) 对 pid 参数进行整定，工程的方法和理论的方法； (5) 设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。 (6) 结合实物实验撰写实验报告。 说明： 1)仿真工具采用 matlab 2)本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，但每个人都 要做设计。 3)在

10、整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。电子版命名方法为： 学号+姓名.rar 单容水箱控制系统设计 2 内分 2 个目录： document 用于存放文档； simulation 用于存放仿真文件； 每次提交的时候，将整个文件夹压缩后电子邮件至 . 单容水箱控制系统设计 3 2单容水箱系统建模单容水箱系统建模 单容水箱系统的传递方框图如所示 gc(s)gv(s)gp(s) gms) uqi(s)h(s)r(s) y(s) e(s) qd(s) + q(s) 图 2 单容水箱系统的传递方框图 在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程5 1 () ido dh qqq dtf 1dh q dtf

11、 其中 i qk o h q r f 为水槽的横截面积，f=1000cm2；为决定于阀门特性的系数，可以假定它k 是常数；是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，可视为常数，rr r=0.03s/cm2；为调节阀开度，控制水流入量，由控制器 lc 控制；kv 为阀门 i q 静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，所以 kv 为 “” ，即，可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节；液 3 28cm /s ma v k v k 位变送器静态增益 km 为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设液位变送器为线 性仪表，则其可看成是一增益为 的比例环节；为扰动，其值可根据1

12、ma/cm m k d q 具体情况而定。 假设扰动为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为 d q 000 1 0() ido qqq f (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 单容水箱控制系统设计 4 式（2-5）减式（2-1）得 1 () io d h qq dtf 式（2-6）就是动态平衡方程式（1-1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值附 近的小范围内变化，故可得以下近似 0 1 2 o qh r h 于是式（2-6）可化为 0 11 () 2 i d h qh dtfr h 如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得 0 1

13、1 () 2 i dh qh dtfr h laplace 变换得： 0 11 ( )( ) 2 i sh sqh s fr h 假设液位的初始值为，代入数据得单容水箱系统的数学模型 0 16hcm 11 ( )( ) 10002*0.03* 16 i sh sqh s 被控对象传递函数为 ( )0.3 ( ) ( )3001 p h s gs q ss 假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图 gc(s) uqi(s)h(s)r(s) y(s) e(s) qd(s) + q(s) 1 v v k t s 0.3 3001s m k 图 3 单容水箱系统传递函数方框图 (2

14、-6) (2-7) (2-8) (2-10) (2-11) (2-9) (2-12) 单容水箱控制系统设计 5 3单闭环控制系统设计单闭环控制系统设计 3 28cm /s*ma1ma/cm 1s vmv kkt ，假设 3.1比例控制系统设计比例控制系统设计 图 4 比例控制仿真图 （1） 、理论整定方法： 广义被控对象为 8.4 ( )( )( )( ) (1)(3001) pvpm gsg s gs gs ss 令，根据频率特性法5整定控制器的参数得0.2210.75 ss m， s (m ,)1 (m ,) ppss ps k m 则由式(3-1)解得，再由，可得到理论整定值。 s 1

15、(,) p pss k mm p k （2） 、工程整定方法：采用衰减曲线法5 调整参数，令，得系统衰减振荡曲线0.75 (3-1) 单容水箱控制系统设计 6 图 5 系统衰减振荡曲线 p=-200 由系统衰减振荡曲线得 2 12 1 16 24.0481=18.061610.74380.75 16 1 5.082.322.76s2000.005 sp p y yy y tk k ， ， 由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度、积分时间和微分时间 i t 的整定值，结果如表 1 所示： d t 表 1 衰减曲线法参数整定计算表 衰减率 整定参数 调节规律 i t d t p-0.005 pi

16、-0.0061.380.75 pid-0.0040.8280.276 （3） 、性能指标： 在 t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图 1 所示。将波形数据 3 5000cm d q 通过“to workspace”输出到 matlab 工作区进行计算，可得时，该比例0.005 控制系统的性能指标如下： 衰减率：0.7438 最大动态偏差：8.0481 残余偏差：-0.9018 y1 y1 y1 ts 单容水箱控制系统设计 7 调节时间： 6s 绝对误差积分 iae：3.7569 结论：有差控制，对小的干扰由较好的抑制作用，能够在较短的时间内达到新 的稳态值。 3.2积分控制系统设计积分控制

17、系统设计 （1） 、理论整定方法： 广义被控对象为 8.4 ( )( )( )( ) (1)(3001) pvpm gsg s gs gs ss 令，根据频率特性法整定控制器的参数得0.2210.75 ss m， (3-2) 2 0 s 1 (m ,) (m ,)arctan 2 s pss pss m s m m 则由式(3-2)可解得，再由，可得到（积分速度） ，进而 s 2 0 1 (m ,) s pss m s m 0 s 可计算出积分时间理论整定值。 0 1 i t s （2） 、性能指标： 积分控制系统仿真框图： 图 6 积分控制仿真图 i=-1/20 对积分控制系统进行参数整定：

18、；，得仿真曲线如下图所示。1/ 20i 0 d q 由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制，但系统振荡频率低，超调量很 大（约为 190cm） ，调节时间很长（约为 5000s） ，因此单独使用积分控制，系统性 单容水箱控制系统设计 8 能较差。 图 7 积分控制仿真图 i=-1/20，qd=0 在时加入扰动，得仿真曲线：由图可知，系统能抑制阶5000st 3 5000cm d q 跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。 图 8 积分控制仿真图 i=-1/20，qd=5000cm3 单容水箱控制系统设计 9 3.3比例比例-积分控制系统设计积分控制系统设计 图 9pi 控制

19、仿真框图 （1） 、理论整定方法： 广义被控对象为 8.4 ( )( )( )( ) (1)(3001) pvpm gsg s gs gs ss 令，根据频率特性法整定控制器的参数得0.2210.75 ss m， (3-3) 1 2 0 1 sin(,)cos(,) (m ,) (1) sin(,) (m ,) spsps ps s ps pss smmm m m sm m 以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式(3-3)表示的控制器整定参 1 s 0 s 数之间的关系可以画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一规定的衰减率 ，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整栋参数。选择一组合0.7

20、5 s 适的、作为控制器的整定参数。 1 s 0 s （2） 、工程整定方法：衰减曲线法 如表 1 得，扰动，得仿真曲线如下0 d q 0.006,1.38s i t 单容水箱控制系统设计 10 图 10pi 控制仿真曲线 p=-1/0.006，i=-1/1.38，qd=0 可得 2 12 1 16 23.3368=17.615010.7798 16 5.42.43s0.006=1.38s si y yy y tt ， ， （3） 、性能指标： 扰动， 3 5000cm d q 0.006=1.38s i t ， 图 11pi 控制仿真曲线 p=-1/0.006，i=-1/1.38，qd=50

21、00cm3 对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用， 减小积分时间，增大比例增益，加快系统响应速度 i t 扰动， 3 5000cm d q 0.006=0.01s i t ， 单容水箱控制系统设计 11 图 12pi 控制仿真曲线 p=-1/0.006，i=-1/0.01，qd=5000cm3 由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为 15s，能在较短 i t 的时间内接近稳态值 扰动， 3 5000cm d q 0.003=0.01s i t ， 图 13pi 控制仿真曲线 p=-1/0.003，i=-1/0.01，qd=5000cm3 由图可知，继

22、续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为 9s，偏差减小， 系统响应加快。 对应扰动，的性能指标如下： 3 5000cm d q 0.003=0.01s i t ， 衰减率：0.7798 最大动态偏差：7.3368 单容水箱控制系统设计 12 残余偏差：0 调节时间： 9s 绝对误差积分 iae：3.9498 3.4比例比例-积分积分-微分控制系统设计微分控制系统设计 图 14pid 控制仿真框图 （1） 、理论整定方法： 广义被控对象为 8.4 ( )( )( )( ) (1)(3001) pvpm gsg s gs gs ss 令，根据频率特性法整定控制器的参数得0.2210.75 ss

23、m， (3-4) 12 2 02 1 sin(,)cos(,)2 (m ,) 1 (1)sin(,) (m ,) spspss ps sps pss smmmms m smms m 令，则式（3-4）由三个变量，以为参变量，和分别为横坐/1/ 4 di tt 1 s 0 s 标和纵坐标，式(3-4)表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。图 中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控0.75 s 单容水箱控制系统设计 13 制器的一组整定参数。选择一组合适的、作为控制器的整定参数。 1 s 0 s 2 s （2） 、工程整定方法： 如表 1 得，得仿真曲线如下

24、0.004,0.828s,0.276s id tt 图 15pid 控制仿真曲线 p=-1/0.004，i=-1/0.828，d=-0.276，qd=0 可得 2 12 1 16 24.7026=18.580110.7035 16 4.64052.22592.4146s0.004=0.828s=0.276s sid y yy y ttt ， ， （3） 、性能指标： 扰动， 3 5000cm d q 0.004,0.828s,0.276s id tt 图 16pid 控制仿真曲线 p=-1/0.004，i=-1/0.828，d=-0.276，qd=5000cm3 单容水箱控制系统设计 14 同

25、比例积分控制，比例积分微分控制对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才 能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，减小比例带，增加微分时 i t 间，加快系统响应速度。 扰动， 3 5000cm d q 0.004,0.01s,0.276s id tt 图 17pid 控制仿真曲线 p=-1/0.004，i=-1/0.01，d=-0.276，qd=5000cm3 由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为 10s，能在较短 i t 的时间内接近稳态值。 扰动， 3 5000cm d q 0.001,0.01s,0.276s id tt 图 18pid 控制仿真曲线 p=-1/0.00

26、1，i=-1/0.01，d=-0.276，qd=5000cm3 由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为 5s，偏差减小， 单容水箱控制系统设计 15 系统响应加快。 对应扰动，的性能指标如下： 3 5000cm d q 0.001,0.01s,0.276s id tt 衰减率：0.7035 最大动态偏差：24.7026 残余偏差：0 调节时间： 5s 绝对误差积分 iae：2.2275 单容水箱控制系统设计 16 4串级控制控制方案设计串级控制控制方案设计 前面的单闭环控制系统设计，系统调节时间（回复时间）较长，最大动态偏差 较大，单闭环控制效果不佳，而且未考虑对象的纯迟延时间。

27、采用串级控制可提高 系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的 影响。 下图为串级控制系统仿真框图： 图 19 串级控制仿真框图 对主副调节器进行整定： 主调节器整定参数为；主调节器整定参数为1,1/0.01,2.3pid ；扰动，得串级控制系统仿真如下图所示：1/1.15,1/0.11,4.3pid 0 d q 由仿真图可知控制振荡频率低，衰减慢，系统调节时间长，最大动态偏差大，但无 静差。 单容水箱控制系统设计 17 图 20 串级控制仿真曲线 qd=0 在时加入扰动，仿真结果如下图所示，由图可知，系统160st 3 5000cm d q 能已知阶跃扰动，实现

28、无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。 图 21 串级控制仿真曲线 qd=5000cm3 单容水箱控制系统设计 18 5前馈控制方案设计前馈控制方案设计 采用前馈反馈控制可在输出发生变化时，提前做出修正，减小扰动对输出的影 响。因此前馈反馈控制可以提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减 小对象纯迟延时间对系统性能的影响。 如图为前馈反馈控制系统仿真方框图： 图 22 前馈控制仿真框图 比值分别为 ratio1=0.9，ratio2=0.1；延迟时间；pid 控制器参数0.1s 分别为；扰动，在时加入；1/0.004,1/0.01,0.276pid 3 5000cm d q 20st

29、 流量变送器等效为增益为 1 的比例环节；设定值为 16cm，得图仿真曲线如附图 2 所示。将前馈断开，得仿真曲线如附图 3 所示，系统不稳定。与单闭环相比，引入 前馈后，在系统输出发生变化之前，前馈控制提前对扰动做出修正，减小了扰动对 输出的影响。因此，前馈控制提高了系统的稳定性，调节时间大大减小（约为 2.5s） ，最大动态偏差减小（约为 1.5cm） ， 单容水箱控制系统设计 19 6实验室水箱实验报告实验室水箱实验报告 6.1压力单闭环实验压力单闭环实验 6.1.1 实验目的实验目的 通过实验掌握压力单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成单回路压力 控制系统，学会可自行设计、临界比

30、例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系 统的 pid 参数，熟悉 pid 参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行 pid 参数的自整定和自动控制的投运。 6.1.2 实验内容实验内容 （1）采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定 pid 参数，并验证参 数的有效性； （2）采用调节器自整定方法整定 pid 参数，并验证其有效性。 调节器的参数设置如下： 参数说明 sn=331-5v 电压输入 dip=0小数点位数为 0 dil=0输入下限显示值 dih=100输入上限显示值 opl=4输出 4-20ma 电流 cf=2调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入 run=1自动

31、调节，允许手动设置 6.1.3 实验仪器实验仪器 pct-ii 型过程控制系统实验台 6.1.4 实验步骤实验步骤 压力单闭环控制系统框图： 单容水箱控制系统设计 20 变频器调节器 压力变 送器 、 水泵 - 图 23 压力单闭环系统控制框图 （1） 连接实验导线，将阀门 v7，v10 打开； （2） 接通总电源，各仪表电源。将 pct-ii 面板上的双掷开关掷到外控端； （3） 整定参数值的计算值； （4） 将计算所得的 pid 参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰 动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止； （5） 曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理

32、。 （6） 采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理。 6.1.5 实验结果实验结果 本实验所用调节器为 808 模糊控制器（手动/自动输出） ，其给定值为 818pid 控制器（手动/自动输出）的输出。将 808 模糊控制器的设定值设置为某一值，再 令 ctrl=2，系统进入自整定状态，几秒钟后，测量值稳定在控制器的设定值上。 6.2液位单闭环实验液位单闭环实验 6.2.1 实验目的实验目的 通过实验掌握液位单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成单回路压力 控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系 统的 pid 参数，熟悉 pid 参数对控

33、制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行 pid 参数的自整定和自动控制的投运。 6.2.2 实验内容实验内容 （1）采用采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定 pid 参数，并验 证参数的有效性； （2）采用调节器自整定方法整定 pid 参数，并验证其有效性。 调节器的参数设置如下： 参数说明 单容水箱控制系统设计 21 df=3回差值 sn=331-5v 电压输入 dip=0小数点位数为 0 dil=0输入下限显示值 dih=450输入上限显示值 opl=4输出 4-20ma 电流 cf=2调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入 run=1自动调节，允许手动设置 6.2.3 实验

34、仪器实验仪器 pct-ii 型过程控制系统实验台 6.2.4 实验步骤实验步骤 液位单闭环控制系统框图： 调节阀调节器 液位变 送器 水箱 图 24 液位单闭环系统控制框图 （1） 连接实验导线 （2） 使水泵工作在恒压供水状态 （3） 接通总电源和仪表电源 （4） 将阀门 v2、v10、v7 打开，其余阀门关闭 （5） 整定参数值的计算 （6） 将计算所得的 pid 参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰 动信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止 （7） 曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理 （8） 采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理

35、6.2.5 实验结果实验结果 818pid 控制器为液位单闭环的调节器，808 模糊控制器为压力单闭环的调节 器。液位单闭环 818pid 控制器的输出为压力单闭环的设定值，当其输出值发生变 单容水箱控制系统设计 22 化时，相当于给压力单闭环一个扰动。令 808 的 ctrl=2，在控制阀开度变化时， 其测量值仍能很快地跟随其设定值。 设置 818pid 控制器的 p、i、d 值，刚开始时，系统超调量较大，达到 80%左 右，振荡频率低，调节时间很长。为此，需修改 p、i、d 值，改善系统性能，减 小比例带 p，减小积分时间 i，增大微分时间 d。经过多次调整，最终系统性能达 到了较好的状态

36、。 6.3上水箱液位和流量组成串级实验上水箱液位和流量组成串级实验 6.3.1 实验目的实验目的 通过实验掌握串级控制系统的基本概念；掌握串级控制系统的结构组成；掌握 串级控制系统的特点；掌握串级控制主、副回路的选择；掌握串级控制系统参数整 定；掌握串级控制系统参数投运方法；了解串级控制系统对进入副回路和主回路扰 动的克服能力。 6.3.2 实验内容实验内容 （1） 设计串级控制系统的方案 （2） 设计串级控制的主、副控制器 （3） 串级控制系统参数整定 （4） 抗干扰试验，分别将干扰加于主回路和副回路，观察并记录控制效果， 并进行分析 （5） 对比实验，于单回路液位控制系统的控制效果进行对比

37、 调节器的参数设置如下： 主调节器参数说明副调节器参数说明 df=3回差值df=3回差值 sn=331-5v 电压输入sn=321-5v 电压输入 dip=0小数点位数为 0dip=0小数点位数为 0 dil=0输入下限显示值dil=0输入下限显示值 dih=450输入上限显示值dih=100输入上限显示值 opl=4输出 4-20ma 电流opl=4输出 4-20ma 电流 cf=2 调节器反作用、有上 电免除报警功能、无 外部输入 cf=8 调节器反作用、有上电 免除报警功能、无外部 输入 run=1自动调节，允许run=2自动调节，禁止 单容水箱控制系统设计 23 手动设置手动设置 6.

38、3.3 实验仪器实验仪器 pct-ii 型过程控制系统实验台 6.3.4 实验步骤实验步骤 串级控制系统方框图： 流量 对象 水箱 主调 节器 调节阀 液位变送器 副调 节器 流量变送器 流量扰动 副参数 主参数 主参数设定 图 25 串级控制系统方框图 （1） 选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量 （2） 选择主被控参数、副被控参数、打开手动阀门 v2、v7、v10 （3） 选择主副控制器，在恒压供水条件下工作，按事先设计的实验接线图将 实验导线接好 （4） 实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。待系统稳定后再整定主回 路液位系统，最后串在一起整定 （5） 待系统稳定后，上水箱液位加

39、个给定，观察计算机上流量和液位的曲线 的变化，并保存此曲线 （6） 系统稳定后，分别在主副回路加个干扰信号，然后观察计算机上历史曲 线的变化 6.3.5 实验结果实验结果 与液位单闭环控制系统相比较，串级控制系统对流量扰动的抑制大大增强，使 其对主参数的影响大大减小。因而串级系统的调节时间（回复时间）减少，最大动 态偏差减少。 控制性能分析： （a）由于副回路的快速作用，可迅速克服进入副回路的干扰，故选用 pi 作 用可以进行有效的调节 单容水箱控制系统设计 24 （b）引入副回路减小了副对象的相位滞后，从而改善了主回路的响应速度， 这对克服进入主副回路的干扰都是有利的 （c）串级控制系统改善

40、了系统的鲁棒性 （d）副回路可按主回路的要求对副变量进行精确的控制 （e）由于该串级系统有较大的滞后，故可以采用 pid 作用进行有效的调节 6.4前馈反馈控制实验前馈反馈控制实验 6.4.1 实验目的实验目的 通过设计前馈反馈控制系统实现高精度的液位控制，掌握前馈反馈控制系统的 结构组成，前馈量的选择，控制参数的整定等方法。 6.4.2 实验内容实验内容 （1） 用实验的方法测试液位和流量的动态特性 （2） 确定扰动通道的传递函数、对象控制通道的传递函数 （3） 用比值器实现静态前馈、前馈反馈的控制系统 （4） 整定前馈反馈控制系统参数 （5） 分析简单控制系统与前馈反馈控制系统控制质量 调

41、节器的参数设置如下： 反馈调节器参数说明 df=3回差值 sn=331-5v 电压输入 dip=0小数点位数为 0 dil=0输入下限显示值 dih=100输入上限显示值 opl=4输出 4-20ma 电流 cf=2 调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输 入 run=1自动调节，允许手动设置 6.4.3 实验仪器实验仪器 pct-ii 型过程控制系统实验台 单容水箱控制系统设计 25 6.4.4 实验内容实验内容 前馈反馈控制系统方框图： 流量 对象 水箱调节器 液位变送器 流量变送器 流量扰动 主参数 调节阀比例器 图 26 前馈反馈控制系统方框图 （1） 设计控制方案 （2） 计算比

42、值系数 （3） 完成恒压供水系统接线 （4） 完成比值控制系统接线 （5） 将阀门 v2、v3、v9、v10、v7 打开，其余阀门关闭 （6） 接通总电源和各仪表电源 （7） 调节 pct-ii 面板上电位器 k1 可改变主副流量的比值，比值的范围是 0.11 倍 （8） 控制系统的参数整定，控制器的参数整定可按单回路或串级控制系统的 整定方法进行。由于流量变化速度快，调节器不能整定出比较合理的参 数，需根据曲线来人工调整 （9） 系统稳定后，改变主回路流量的大小，观察副回路流量的变化 （10） 观察计算机上历史曲线的变化，记录并处理历史曲线 （11） 改变比例器的比例系数，观察流量的变化 6.4.5 实验结果实验结果 与液位单闭环相比较，前馈反馈控制系统调节时间（回复时间）减少，最大动 态偏差减少。 控制性能分析： a.从前馈控制的角度