双容水箱液位控制结题研究报告

1、自动控制系统课程设计双容水箱系统结题报告学校：北京工业大学学院:电控学院专业：自动化 班级: 组号：第五组组员：实验日期:指导教师目录一、课程设计任务2二、被控对象的模型及分析2三、系统控制方案论证5四、控制结构与控制器设计步骤6五、实验过程论述8六、实验结果及分析10七、总结10八、附录11.课程设计任务1、课程设计目的(1) 掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。(2) 掌握基于MATLAB的系统仿真方法(3) 掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法(5) 培养编制技术总结报告的能力。2、被控对象：双容水箱系统3、性能指标要求衰减率4:110:

2、1,超调量Mp<10%,调节时间Ts<45s,稳态误差乞$ = °二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示:阀3图23双容水箱液位控制结构图设流量Q为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H?为输出量，根据物料 动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为= G(S)=怙f(1-6)0(s)(n*s + ixr2*s + i)e式中K=R4, Ti=R2Ci，T2=R4C2，R2、分别为阀V3和V4的液阻,Cl和C?分别为左水箱和右水箱的容量系数。式中的K、Ti和T?可山实验求得的阶跃响应曲线求岀。具体的做法是在下图所示的阶跃响

3、应曲线上取：1) 、h2 (t)稳态值的渐近线h2(8)；图2-4阶跃响应曲线2) 、h2 (t) lt=ti=O.4h2()0I寸曲线上的点A和对应的时间m3) 、h2 (t) lt=t2=0.8 h2(8)时曲线上的点B和对应的时间bo然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K、T1和T2。其中：_力2(S)_输入稳态值阶跃输入量4) 、Ti+T2«-2.16T1T2门“"八“、5) 、 2 (1 740.55)(Ti + Tz)2ti对于式(1-6)所示的二阶过程，0.32<ti/t2<0.46o当ti/t2=0.32时,为一阶环 节；当 “2=0.4

4、6时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2 (此时 T1=T2=T=(ti+t2)/2*2)过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数T。 下图为我们组建立的数学模型：双容传函：空= g)=空十0(S)(1145*S +1)(72.28*5 + 1)匕0.457(59.25*5 + 1)单容传函:总传函：gf”說:江；+G(S) =2.双容水箱系统数学模型的分析双容水箱系统的等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统的滞后包 括两个部分，一部分是曲于传输延时造成的纯滞后，另一部分是有水箱自身的容 量滞后。山于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型。三、系统控

5、制方案论证1、选用的控制方法：PID控制方法2、控制方法简介PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出 与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例 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，控制器的输出与输入误差信号的积分 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，在控制器中必须引入“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，即便 误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制

6、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，岀 现发散的振荡过程。比例+积分（PI）控制器，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，控制器的输岀与输入误差信号的微分（即误差的变化率）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 出现振荡其至失稳。其原因是山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。解决的办法是使抑制误差的作用的 变化“超前S即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。调节规 律优点缺点应用P灵墩.简单.只有 一个整定参数存在静差负荷变化不显著.工艺指 标

7、要求不高的对象。PI能消除静差，又控 制灵敏对于滞后较大的对 象.比例积分调节太 慢.效果不好。应用于调节通道容量滞后 较小、负荷变化不大.将 度要求离的调节系统。例 如，流虽调节系统。PD增进调节系统的稳 定度，可调小比例 度.而加快调节过 程.减小动态偏差 和静差系统对高频干扰特别 敏感，系统綸出易夹 杂高频干扰。应用于调节通道容量滞后 较大，但调节精度要求不 高的对象。PID综合了各类调节作 用的优点，所以有 更高的调节质址。对于滞后很大，负荷 变化很大的对線，PID 调节也无法满足要 求.应设计复杂调节 系统应用于调节通道容塑滞后 较大、负荷变化较大.精 度要求高的对象。初步采取的方案

8、：副回路：比例控制PID主回路：比例积分控制PID四、控制结构与控制器设计步骤1、控制结构：串级控制系统>< Mte 0 ete> b S ®_VQe2、控制器的设计：逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。具体步骤为：先断开主回路，整定副控制器。后闭合主回路，整定主控制器。 重新调整副控制器参数。若未达到控制要求，再调整主控制器参数。以上3、4 步骤循环进行，直到满足控制指标为止。对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。 仿真及PID参数调节：副回路整定参数：P： 35I： 1.2D： 15技术指标：Mp=5%

9、Ts： 45sEss=O主回路整定参数：P： 30I： 0.18D： 40技术指标：Mp=9%Ts： 25sEss=0五、实验过程论述在课设的开始阶段，我们先熟悉了一下实验所用到的仪器及软件，并对实验 过程和目的进行了一番学习及了解。接下来我们便进入到了对单/双容水箱的特性测试，也就是对变送器的调 试，山于主副回路变送器的滑变总是自动跳数，所以导致我们组花了很长的时间 去确定零点电压及线性关系。最后主副回路零点电压基本分别稳定在了 1.04v和 l.lVo然后便是对水箱数学模型的建立以及控制结构与控制器的设计与仿真。（也就 是我前面所陈述的传函的测试与建立，以及我们组所选择的串级控制系统和PI

10、D 整定方法）此阶段我们组完成的还算比较顺利，虽然不能保证所得传函一定白分 百准确，但PID参数的调试及仿真结果还算比较令人满意。最后便进入到了实时控制阶段。当我们天真的以为仿真调参过后已经接近成 功的时候，实时控制的结果告诉我们，理想和现实果然还有一定的差距。当我们 搭好模型并采用我们仿真所调试的参数进行测试后惊奇并失望的发现，不仅响应 曲线不对，连液位都无法稳定。一阵挫败感过后，实验依然得继续，我们便进入 了新一轮的调参活动中，最终我们确定的方案是副回路用比例控制，主回路用比 例积分控制。当我们随意给定系统儿个液位值并加入各种形式扰动后，系统依然 能恢复稳态，虽然调节时间略 长，但其它性能

11、指标要求已基本满足。至此实验 基本告以段落。实时控制结构图PID参数整定方法：两步法第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。副回路：比例控制P=l5主回路：比例积分控制 P=351=0.2技术指标： Mp=O Ts=75s Ess=O 加扰动后:Mp=O Ts=65s Ess=O2给定4cmTs=110sTs=75s技术指标：Mp= 7.5% 加扰动后：Mp= 6.25%六、实验结果及分析实验结果：从图中可以看出，在我们随意给定2cm和4cm以及加入适当扰动后, 系统依然能恢复稳定并保证无静差且响应曲线较好，但山于更正系统参数后时间 紧迫使得在选择PID参数时不够精确，导致响应时间未能达到

12、小于45秒。分析：纵观我们组整个实验过程以及最后响应曲线的呈现，我总结出以下儿个问 题:（1）仿真的阶跃响应曲线与实际曲线之间存在一定的差别。仿真处于理想状态，而实际是不可能处于理想状态的，系统受到了个个方面的干 扰，其次，我组在讣算系统参数的时候釆用了大量的近似计算，所以这也有可能 造成了仿真与实际系统之间的误差。（2）实际液位与示波器显示的差别这个问题是我们组在进行实时控制时遇到的。刚开始我们以为是仪器坏了，可后 来经过验证，结果有两方面原因：1从头开始我们组的万用表就是坏的2山于变 送器的跳变使得水箱的线性关系并没有那么准确。（3）系统调节时间过长虽然PID三部分各有各自的特点，但在调节

13、过程中他们的作用毕竟还是相互的, 正所谓牵一发而动全身。但山于时间关系，我们组未能更精确地调整参数，所以 导致系统调节时间未能达到小于45秒。七、总结此次为期一周的课设实验使我收获颇丰。首先是让我们有了一次将理论与实践相结合的机会。虽然相关的知识在 理论课上都有涉及，但到了实际应用中乂是另一回事儿。从参数的测量，系统控 制方法的选择，控制器的设讣以及最后在实物上进行测试，让我们对工业控制的 过程有了更清晰的了解。其次，这次课设让我们更加熟悉了仿真软件MATLAB的使用以及“实 时控制”这个我们以前完全没有接触过的东西。同时，这次试验也让我们对自控 及过控书上的知识进行了复习以及应用。其实这次课

14、设对我们组而言也应吸取一些经验和教训。比如我们的实时 控制一直出不来，直到周五下午才在老师的帮助下发现，原来我们所用的万用表 一直是坏的，导致我们要在三个小时之内重新调零调参测曲线，可见一个小小的 疏忽不仅浪费了时间还对实验结果的质量产生了一定的影响。还好比较幸运的是我们基本顺利的完成了此次课设，实验结果也较为满 意。最后特别感谢老师的指导以及其它组同学在忙碌之余对我们组伸出的橄榄 枝，我们以后会再接再厉，多参加一些这样的实习，提高自己的实践经验，为以 后工作打下坚实的基础。7、附录附件1： THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实

15、验平台提供电源。有土5V/O.5A. ±15V/O.5A及+24V/1.0A 五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相应的钮子开关控制，并由相应发 光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、 ±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、低频函数信号发生器及锁零按钮低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外用电路组合而成,主要输 出有正弦波信号、三角波信号、方波信号、斜波信号和抛物波信号。输出频

16、率分为Tl、T2、 T3、T4四档。其中正弦信号的频率范用分别为0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz 1.7kHz、700Hz10kHz 三档，齐平值为 16VO使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位這，并根据需要选择合适的波形 及频率的档位，然后调右"频率调巧”和''幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和 幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时， 通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V：当按 钮复位时，单元中的场效应

17、管处于开路状态，此时可以开始实验。三、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，英输岀电压范用为-5+5V,正负档 连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔 动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输岀端输岀一个连续可调（选择正输岀时，调RP1 电位器；选择负输出时，调RP2电位器）的阶跃信号（当输出电压为IV时，即为单位阶跃信 号），实验开始：当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。注：单元的输出电压可通过实验台上的宜流数字电压表来进行测量。四、低频频率计低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗

18、 大和灵敏度高的优点。其测频范围为：O.lHz-lO.OkHZo低频频率il主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率 计的电源钮子开关拔到“开”的位苣，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”（此时通 过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号）或“内测”（此时测量低频函数信号发生器输 出信号的频率）。另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。注：将“内测/外测”开关巻于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时 会显示一泄数据的频率，这是由于频率il的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一左数值的 频率。此现象并不影响内外测频。五、交/直流数字电压表交/

19、直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20Vo当自锁开关不按下时，它 作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它 具有频带宽(10Hz400kHz)、精度髙(±5%。)和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲 信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。六、通用单元电路通用单元电路具体见实验平台的Ul、U2、U4U18单元。这些单元主要由运放、电容、 电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象 的数学模型。其中U1为能控性与能观性单元，U2为无源器件单元，U4为电压转换单元，U5为非

20、 线性单元，U6为反相器单元。U7U18为通用运放单元，主要用于比例、积分、微分、惯 性等电路环节的构造。七、零阶保持器零阶保持器为实验主而板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398,具有将连续 信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时 只要接入外部的方波信号及输入信号即可。八、数据采集接口单元数据采集卡采用研华PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内， 其采样频率为350k：有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟疑 输出，转换精度均为12位：16路开关童输入，16路开关量输出。接口单元则放于

21、实验平台 内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。英 中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位机软件安装及使用说明一、上位机控制工程1. 运行环境项目描述CPUP4(22G)以上内存512M以上硬盘不限操作系统最好WinXP显示设备17寸显卡要求64M以上用户名不能使用中文2.上位机程序适用于MATLAB6.5版本MATLAB控制产品集支持控制设计过程的每一个环节，可以用于不同的领域，如过程 仿真与控制、汽车、航空航天、计算机和通讯等领域。使用MATLAB髙级编程语言，能使 控制系统的设讣和分

22、析更加方便，编程者只需花很短的时间就可以开发出控制算法复杂、绘 图功能强大的程序，以实现对数据、方程和结果的显示。注：实验程序处于运行状态时，不能强制对界面进行最小化操作，否则将出现错误。 二、上位机软件的使用说明1、仿真部分使用说明1.1双击任何一个模块，都可以修改英参数。仿真过程中，只需按照实验指导书的内容, 修改仿貞窗口中相应模块的参数。建议不要随意改动，如有改动，关闭窗口时，不要选择存 盘。1.2当达到仿真结束时间，而示波器不能完整地显示仿真波形时，可通过同时修改仿真 参数和示波器参数实现。仿真参数的修改方法:按住Ctrl+E键,在弹出的窗口中修改Stop time 的值。示波器参数的

23、修改方法：任打开的示波器窗口中点击Parameters图标，在弹出的窗 口中修改Time range的参数。修改完成后，示波器的Time range值必须大于或等于仿貞参 数的Stop time值。1.3示波器的丫轴显示范围的修改可通过右击示波器窗口，选择Axes Properties项，在 弹出的窗口中修改Y-m泊和Y-max的值。1.4每次参数更新后，需点击Start Simulation图标进行仿真，这样才能看到新的结果（“典型环节和系统频率特性的测量”仿真除外）。2、实验部分使用说明2.1双击任何一个模块，都可以修改其参数。实验过程中，只需按照实验指导书的内容, 修改实验窗口中相应模块

24、的参数。建议不要随意改动，如有改动，关闭窗口时，不要选择存 盘。2.2示波器的丫轴显示范围的修改可通过右击示波器窗口，选择Axes Properties项，在 弹出的窗口中修改Y-m泊和Y-max的值。2.3实验过程中，有时会弹出一个提示为“Incomplete message in communication buffer”的窗口，这是由MATLAB R2007a以下的版本存在bug而引起，此时只需关闭弹岀 窗口，再次点击Conect to targer图标即可继续实验。2.4基于simulink的仿真属于伪实时仿真，英仿真时间并不与实际时间同步，而与机 器执行速度和模型复杂度有关。在完成实

25、时控制实验时，界而中所显示的时间约为实际时间 的两倍。3、实时控制实验软件初始化MATLAB软件提供了一个实时开发环境，可用于实时系统仿真和产品的快速原型化， 这一点是通过特殊应用工具箱Real-Time WorkshopRTW）实现的。RTW是MATLAB图 形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块，它是一个基于Simulink的代码自 动生成环境，能直接从Simulink模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码，并根据目 标配苣自动生成多种环境下的程序。3.1在进行控制理论的MATLAB仿真与控制实验时，系统运行需要MATLAB6.5的支 持。用户在实验前应安装好该软件并对

26、其工作环境及相关编程工作较为熟悉。3.2打开MATLAB6.5软件，查看MATLAB的当前工作路径（即Current Directory所显示 的路径），并将提供给用户的光盘控制程序（不是文件夹）拷贝到MATLAB当前工作路径中。3.3利用产品所附带的采集卡驱动光盘，安装相应的驱动程序。3.4打开研华PCI-1711数据采集卡自带的测试程序，测试采集卡的模拟量输入、输出 通道是否正常。注：每次实验前都需进行此项操作。3.5打开MATLAB6.5软件，为了配程好MATLAB编译器，则在命令窗口中进行如下操 作：3.5.1输入"rtwintgt-setup"并按回车键，然后输入“y”；3.5.2输入“mcx -scmp”并按回车键，然后输入“y”，接着在编译器的选择中选择 * Microsoft Visual C/C+ version 6.0项，最后输入 “y"。3.6在MATLAB命令行窗口中输入klsyxm,按回车键，这时弹岀如图1所示界而。