过程设计课程设计水箱液位控制东北大学

PAGE1过程控制系统课程设计设计题目：水箱的液位控制系统的设计班级：学号：姓名：指导教师：设计时间：2012年5月7日目录_Toc106775327""摘要 1_Toc106775329""1概述 2_Toc106775330""1.1过程控制介绍 2_Toc106775331""1.2液位串级控制系统介绍 3_Toc106775332""1.3MATLAB软件介绍 3_Toc106775334""2课程设计的任务与要求 52.2单容单回路控制系统设计 62.3双容水箱液位的单回路控制系统设计 62.4上水箱流量的串级控制系统设计 62.5实现副回路进水流量的前馈控制 7_Toc106775338""3.实验系统熟悉及过程建模 8_Toc106775339""3.1建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型 83.2建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型_Toc106775340"" 123.3建立双容水箱进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型_Toc106775341"" 16_Toc106775342""4.实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计_Toc106775340"" 21_Toc106775343""4.1系统原理_Toc106775340"" 214.2液位设定值发生阶跃变化的单容水箱的PID调节_Toc106775340"" 214.3旁路扰动时的PID调节_Toc106775340"" 294.4副回路扰动时的PID调节_Toc106775340"" 334.5思考题_Toc106775340"" 365.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计_Toc106775340"" 375.1系统原理_Toc106775340"" 374.2液位设定值发生阶跃变化的双容水箱的PID调节_Toc106775340"" 384.3旁路扰动时的PID调节_Toc106775340"" 434.4副回路扰动时的PID调节_Toc106775340"" 444.5思考题_Toc106775340"" 456、实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计_Toc106775340"" 476.1系统原理_Toc106775340"" 476.2串级系统的PID调节_Toc106775340"" 486.3旁路扰动时的PID调节_Toc106775340"" 506.4副回路扰动时的PID调节_Toc106775340"" 516.5思考题_Toc106775340"" 517.实现副回路路进水流量的前馈控制_Toc106775340"" 527.1系统原理_Toc106775340"" 527.2求解前馈系统的模型_Toc106775340"" 537.3前馈控制器参数的调试_Toc106775340"" 538._Toc106775352""参考文献 42_Toc106775351""9.收获体会建议 41水箱的液位控制系统的设计摘要：本论文的目的是设计水箱液位控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计控制系统，采用matlab的simulink技术对控制系统的性能进行分析。1概述1.1过程控制介绍1.1.1．工业过程控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。1.1.2．过程计算机控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象﹑检测与执行装置外）。1．过程计算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器﹑时钟电路﹑内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集﹑数据处理﹑逻辑判断﹑控制量计算﹑越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。（2）包括各种控制开关﹑数字键﹑功能键﹑指示灯﹑声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。（3）通用外围设备包括打印机﹑记录仪﹑图形显示器﹑闪存等，它们用来显示﹑存储﹑打印﹑记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。2．过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集﹑滤波程序﹑控制量计算程序﹑生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能﹑精度和效率。1.2液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。1.3MATLAB软件介绍MATLAB软件是由美国MathWorks公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于Windows2000/xp的MATLAB7.0版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MATLAB系统由五个主要部分组成：(1)MATALB语言体系MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。(2)MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。(3)图形图像系统这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。(4)MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。(5)MATLAB应用程序接口(API)这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。MATLAB具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB的控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB的系统辨识工具箱（SystemIdentificationToolbox）可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。2.课程设计任务与要求2.1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（3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（3种不同幅值的阶跃扰动）,分析一下和模型的区别。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（3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）。思考：旁路流量的频繁，剧烈变化对控制质量有着严重的影响，有什么方法可以较好的抑制这个扰动对控制质量的影响。副回路进水的频繁剧烈变化对控制质量的严重影响，有什么方法可以很好的抑制其对控制质量的影响。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）。思考：在这种情况下，和(2)中单回路控制系统控制质量有什么变化？为什么会有这样的变化？在这种情况下，你有什么办法提高控制系统的控制质量？详细说明你的想法。2.4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。思考：串级控制系统对于副回路进水的频繁剧烈变化具有一定的抑制作用，还有什么方法可以更好的抑制该扰动对水箱液位的影响，使得控制质量能够进一步提高。2.5实现副回路进水流量的前馈控制提示：和水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统组成一个前馈-串级复合控制系统）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3.1实验系统结构实验装置中主要包含：不锈钢储水箱、串接圆筒有机玻璃左上水箱、左下水箱、右上水箱、右下水箱四容水箱。单相2.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）、纯滞后水箱等实验装置。系统动力支路分两路组成：一路由单相动力循环水泵、电动控制阀、电磁流量计、水管及手动切换阀组成；另一路由动力水泵、变频调速器、涡轮流量计、水管及手动切换阀组成。实验装置中检测变送和执行元件包括：压力液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、控制阀等。实验装置整体结构如图3.1所示。图3.13.1建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型3.1.1工作原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。图3.2设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，泄水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：（式3.1）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：（式3.2）式中，T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。令输入流量Q1的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：（式3.3）当t=T时，则有：h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞)（式3.4）当t→∞时，h（∞）=K*R0，因而有K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入（式3.5）3.1.2建模步骤：（1）修改连线：控制台上将“左下水箱液位信号”连接到PLC模拟输入模块1的AI1端口，奖PLC的模拟输出的AO0通道信号连接到“控制阀开度”端子上，注意正负极性。（2）关闭副回路手动控制阀，打开主回路手动控制阀，及三号水箱蓝色进水阀，解除左上左下水箱与右侧水箱耦合。（3）启动计算机WINCC组态王软件，进入实验系统二阶双容水箱对象特性测试实验。（4）观察系统的被控量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录输出值，以及水箱水位的高度和测量显示值。（5）增加手动输入值，增加5%，10%，15%的输入量，记录此时的参数响应。直到进入新的平衡状态，再次记录平衡时的数据。3.1.3实验结果1.初始时刻上水箱平衡时的状态阀开度（0~100）液位高度（cm）流量值()20%4．070.174表3.1上水箱的平衡状态2.记录实验过渡曲线数据和过渡曲线图：逐点记录过渡曲线数据点：5%10%15%时间T/s液位H/cm时间T/s液位H/cm时间T/s液位H/cm04.0704.0604.06344.07164.66166.38514.47325.52327.56664.9516.46518.85975.62807.688010.521256.141058.5310511.681536.491249.1112412.481917.011549.8815413.532287.3616910.2716914.062517.619110.7519114.722957.7821111.0821115.183317.9523311.4723315.715118.3425511.7625516.114308.2228712.2028716.715838.3933212.6733217.3636712.9736717.7740613.2640618.1748313.6548318.756513.9356519.1871114.1671119.6981114.2281119.790014.2290019.7表3.2过渡曲线数据3.利用matlab对记录的数据进行处理，绘出曲线图3.3上水箱给定阶跃5%拟合响应曲线图3.4上水箱给定阶跃10%拟合曲线图3.5上水箱给定阶跃15%拟合曲线达到新的平衡状态时记录数据给定阶跃扰动值阀开度（0~100）液位高度（cm）流量值()5%25%8.380.20110%30%14.320.22615%35%19.470.248表3.4上水箱给定扰动后的响应平衡状态根据给定阶跃15%（20%~35%）时的响应曲线数据建立数学模型根据（式3.2）（式3.4）（式3.5）建立上水箱数学模型K=T=216s最终得到单容水箱数学模型：W(s)=3.2建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型3.2.1实验步骤：1.设备的连接和检查：打开副泵的支路（红色阀门一路）至上水箱的所有阀门，关闭支路上通往其它对象的切换阀门。控制台上将“左（右）上水箱液位”信号（1~5V）连接到PLC的模拟输入模块1的AI0端口，将PLC的模拟量输出的AO0通道信号（4～20mA）连接到“变频器、副管路泵”端子上。2.实验步骤启动计算机WinCC组态软件。设置输出数值，设定输出值的大小。观察系统的被控量：上水箱的水位是否趋于平衡状态。若已平衡，应记录输出值，以及水箱水位的高度h1和测量显示值并填入下表中。3.2.2实验结果1.初始时刻上水箱平衡时的状态阀开度（0~100）液位高度（cm）流量值()25%3．850.215表3.5上水箱副回路的响应平衡状态2.增加手动输出值，记录此引起的阶跃响应的过程参数。5%7%10%时间(T/s)液位(H/cm)时间(T/s)液位(H/cm)时间(T/s)液位(H/cm)03.8503.8503.85605.42606.11607.41206.531207.731209.931807.51809.1318012.112408.2624010.2224013.823008.8430011.0530015.133609.3236011.7536016.224209.7442012.3542017.1648010.0648012.8248017.8954010.3254013.254018.4860010.5360013.560018.9566010.7366013.7866019.478011.0378014.2278020.0890011.2590014.5490020.59102011.38102014.73102020.88114011.5114014.9114021.16120011.5120014.9120021.16表3.6过渡曲线数据按照记录值用matlab进行绘制，绘制曲线图如下图所示图3.6上水箱给定阶跃5%的拟合曲线图3.7上水箱给定阶跃7%的拟合曲线图3.10上水箱给定阶跃10%的拟合曲线4..直到进入新的平衡状态。再次记录平衡时的数据：阶跃值输出值（0~100）水箱水位高度（cm）流量值()5%30%11.50.2707%32%14.90.28910%35%21.160.317表3.7上水箱副回路的阶跃响应平衡状态5.根据给定阶跃10%（25%~35%）时的响应曲线数据建立数学模型：K=T=153得到上水箱副回路的传递函数为：W(s)=3.3建立双容水箱进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型3.3.1工作原理：图3.9双容水箱系统结构图如图所示，这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，输出量是下水箱的水位h2。它不再是简单的指数曲线，而是就使控制对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中S形曲线的拐点P上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA。这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此，称容量滞后，通常以τC代表之。设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h2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：（式3.6）式中K=R2，T1=R2*C1，T2=R3*C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图3.10所示的阶跃响应曲线上取：h2(t)稳态值的渐近线h2(∞)；h2(t)|t=t1=0.4*h2(∞)时，曲线上的点A和对应的时间t1；h2(t)|t=t2=0.8*h2(∞)时，曲线上的点B和对应的时间t2。然后，利用下面的近似公式计算式(2-1)中的参数K、T1和T2。其中：若t1/t2=0.32-0.46（式3.7）若t1/t2=0.46（式3.8）图3.10t1=248st2=540st1/t2=0.46利用（式3.8）=181sK=t=10sG(S)=3.3.2实验结果1.输出值（0~100）水箱水位高度h2（cm）流量值（m3/h）20%4.730.174表3.8双容水箱的响应平衡状态2.增加手动输出值，记录此引起的阶跃响应的过程参数，并绘制过程变化曲线。5%10%15%时间T/s液位H/cm时间T/s液位H/cm时间T/s液位H/cm04.7304.7304.73604.75604.78604.81205.041205.311205.551805.661806.371807.062406.092407.282408.353006.83008.5730010.23607.273609.536011.514207.9642010.7942013.354808.448011.8148014.515408.8954012.554015.586009.1360012.9860016.446609.4966013.5766017.317209.7372013.8972018.2884010.0884014.7684019.0196010.3296015.1596019.52108010.56108015.67108020.29114010.68114015.95114020.69130010.71130016.05130020.81150010.71150016.05150020.9表3.9过渡曲线数据3.根据记录数据用matlab绘制过渡曲线如下：图3.11双容水箱给定阶跃5%的拟合曲线图3.11双容水箱给定阶跃10%的拟合曲线图3.12双容水箱给定阶跃15%的拟合曲线4.直到进入新的平衡状态。再次记录测量数据。输出值（0~100）水箱水位高度h2（cm）流量值（m2/h）25%10.710.20130%16.050.22635%20.90.248表3.10双容水箱的阶跃响应平衡状态5.建立双容水箱模型：根据给定阶跃15%（20%~35%）时的响应曲线数据建立数学模型：t1=248st2=540st1/t2=0.46=181sK=t=10s得到双容水箱流量与液位传递函数为：G(S)=4.实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计4.1系统原理：图4.1单回路上水箱液位控制系统单回路控制系统是用一个控制器来控制一个被控参数，而控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统中的被控参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。图3.2.4.2示出了P、PI、PID控制系统的阶跃响应分别为①、②、③曲线。图4.2P、PI和PID控制的阶跃响应曲线4.2液位设定值发生阶跃变化的单容水箱的PID调节4.2.1P1.当K=5时，响应曲线的数据和图像如下：时间(s)液位(cm)流量(m3/h)时间(s)液位(cm)流量(m3/h)05.780.2219811.160.237226.570.2422811.470.36527.810.2525011.670.236788.770.24529111.730.2311169.830.24633511.8750.23214810.570.24138011.8750.23118911.120.238表4.1K=5时，过渡响应曲线数据图4.3K=5时，过渡响应曲线图当K=5时，过渡时间较长，增大K提高系统响应速度。2.当K=10时，响应曲线的数据和图像如下：时间(s)液位(cm)流量(m3/h)时间(s)液位(cm)流量(m3/h)050.1921289.7570.245145.160.21615410.3120.24225.570.23517310.6680.24486.870.25118610.8420.238627.5610.25220711.1020.238808.4030.25123411.2930.237938.8450.24925211.50.2331159.5310.24627211.5710.23333511.7620.234表4.2K=10时，过渡响应曲线数据图4.4K=10时，过渡响应曲线图4.2.2pI1.当K=10Ti=10000ms时，响应曲线的数据和图像如下：时间(s)液位(cm)流量(m3/h)时间(s)液位(cm)流量(m3/h)04.730.19317411.010.0962310.210.57118913.810.4564210.250.4220015.320.3425614.140.60821113.750.0837111.030.104225110.1298613.650.4524013.910.4649615.540.37825613.80.45911113.1850.55427213.230.05212210.950.94829013.230.0514815.450.379表4.3K=10Ti=10000ms时，过渡响应曲线数据图4.5K=10Ti=10000ms时，过渡响应曲线图系统发散，减小比例作用。当K=6Ti=50000ms时，响应曲线的数据和图像如下：时间(s)液位(cm)时间(s)液位(cm)05.310212.517116.4712511.77209.8613411.713012.3715011.983915.5516511.514614.6519111.915413.151208127010.9522311.978411.727表4.4K=6Ti=50000ms时，过渡响应曲线数据图4.4K=6Ti=50000ms时，过渡响应曲线图积分作用后，基本消除了系统余差，但是系统稳定性降低。需在保证系统响应速度的同时保证系统稳定性。故加入积分环节后，适当减小比例环节的作用。4.2.3PID1.当K=8,Ti=50000ms,Td=5ms时，响应曲线的数据和图像如下：时间(s)液位(cm)时间(s)液位(cm)05.311712.13107.2712911.75199.4213811.772913.0314611.893915.5115712.184214.8717312.064812.3618411.945711.1820111.987010.8622412.028511.7524711.979912.56表4.5K=6,Ti=50000ms,Td=5ms时，过渡响应曲线数据图4.5K=8Ti=50000msTd=5时，过渡响应曲线图加入微分作用后，系统动态响应加快，提高了系统的稳定性当K=6，Ti=50000ms，Td=50ms时，响应曲线的数据和图像如下：时间(s)液位(cm)流量(m3/h)时间(s)液位(cm)流量(m3/h)05.26810.9116412.023137.467811.39817411.91821118612.02319211.9883014.539612.56120512.1093715.4310612.43922011.9884514.5812811.72724712.0055212.8314411.90128311.9796011.2815912.14427311.961表4.6K=6Ti=50000msTd=50ms时，过渡响应曲线数据图4.6K=6Ti=50000msTd=50ms时，过渡响应曲线图实验序列123456控制参数Kc10510686Ti0010000500005000050000Td0000550超调量（%）发散029.7530.4729.3131.52过渡时间（min）188.8196.8204.8173.4219.6衰减比5.9:16.0：16.1:15.6:1效果评估差差较好很好很好好表4.7综合分析P=5图472.P=1图4.82PIP=1.2，I=3图4.9P=1.2,I=2图4.103PIDP=1.2,I=2,D=1图4.11P=1.2,I=2,D=0.8图4.12实验序列123456控制参数Kc511.21.21.21.2Ti003222Td000010.8超调量（%）0039.338.74439.6过渡时间（s）0.52.2412.812.51915衰减比12:19.6:18.8:18.6:1效果评估差差差较好好好表4.84.3旁路扰动时的PID调节4.3.1实验过程时间液位流量T/sH/cmQ/m3/h011.970.235612.120.2431112.1780.251612.2110.2442412.2040.2273212.0220.2174311.8570.2195411.910.2337012.0140.2398512.0830.2310411.9440.22912511.9330.23614411.9620.23216211.9790.233表4.8旁路干扰1图4.13旁路干扰12.时间T/s液位H/cm流量Q/012.0350.233212.4730.295713.2630.3521013.5320.3381513.5060.2822013.4460.2492713.4720.2394613.350.23411113.020.23313912.880.23418512.750.23421512.7170.23426112.5430.23335112.420.23439512.360.233表4.8旁路干扰2图4.14旁路干扰23.011.990.225911.970.2281911.910.2353012.010.2353812.010.2344811.990.2316211.970.237211.960.2298612.030.23511712.080.231131120.228表4.9旁路干扰3图4.15旁路干扰3可见，3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动幅值越大，动态指标越不好，控制质量越差。4.3.2matlab的SIMULINK仿真假定旁路干扰的传递函数为10/2s+11.加旁路扰动幅值为1图4.162.加旁路扰动幅值为0.1图4.173.扰动幅值为0.01图4.184.4副回路扰动时的PID调节4.4.11.副回路扰动1时间T/s液位H/cm流量Q/时间T/s液位H/cm流量Q/011.8750.2366211.8750.0643120.2397212.1180.08912.8380.2218611.840.0461613.4220.159412.0570.0742612.8190.01710711.9610.0583412.2910.00111911.9790.0634011.7960.02512811.9310.0485012.1270.067表4.10.副回路扰动1图4.102.副回路扰动2时间T/s液位H/cm流量Q/时间T/s液位H/cm流量Q/011.9530.2279812.0050.1612.4950.22411712.0570.11413.0430.17713611.9980.0952212.7510.07115912.150.1013311.8330.04617812.0950.0994911.9180.1121912.1030.16812.0740.10223512.1070.1018312.0130.09表4.11图4.193.副回路扰动3时间T/s液位H/cm流量Q/时间T/s液位H/cm流量Q/011.9180.2259212.2220812.8730.22811011.97201313.5760.16811811.8840.011513.6460.13412412.0270.0322213.5590.02614211.88303513.212015511.9960.0054513.108016912.0130.0416212.743023111.9980.0327512.5130表4.12图4.20达到新的平衡状态，记录平衡时的数据：阶跃值阀开度（0~100）液位高度（cm）流量值()5%25%8.380.20110%30%14.320.22615%35%19.470.248表3.7上水箱的响应平衡状态根据给定阶跃15%（20%~35%）时的响应曲线数据建立数学模型：K=T=216最终得到单容水箱模型：W(s)=4.4.2matlabsimulink幅值为0.12.幅值为0.53.幅值为14.5思考题思考：旁路流量的频繁，剧烈变化对控制质量有着严重的影响，有什么方法可以较好的抑制这个扰动对控制质量的影响。副回路进水的频繁剧烈变化对控制质量的严重影响，有什么方法可以很好的抑制其对控制质量的影响。构造成串级系统构造成前馈系统实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计5.1系统原理 由图5。1可知，被测对象由两个水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱的数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(S)=5.2双容水箱的PID调节图5.2比例作用K=0.5图5.3K=0.1图5.4K=0.025图5.5从matlab仿真图像可以看出，比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Ｋp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Ｋp太大时，系统会趋于不稳定。Ｋp太小，又会使系统的动作缓慢。对于较小的Kp，上升时间较长，超调量较小，稳态误差较大。对较大的Kp，上升时间较短，超调量较大，，稳态误差较小。比例积分作用p=0.1I=0.0005图5.6震荡剧烈适当减小积分时间，可以减小超调量。静差也得到了消除。P=0.08I=0.0001图5.7再适当减小比例系数，使超调减小。P=0.05I=0.0001图5.8比例积分文微分作用P=0.05I=0.0001D=0.1图5.9P=0.05I=0.0001D=0.5图5.10P=0.05I=0.0001D=1图5.11对微分时间常数Td进行调节。Ｔｄ偏大时，超调量较大，调节时间较短。Ｔｄ偏小时，超调量也较大，调节时间较长。只有Ｔｄ合适，才能使超调量较小，减短调节时间。当控制效果不佳时，总结出，以下几条调节规律修正PID参数：（1）、如果系统出现振荡时，应适当减小比例作用和积分作用（2）、如果系统出现较大的超调时，应当减小积分作用；反之，应加大积分作用（3）、如果期望缩短过渡时间，可以适当加大比例作用序列12345678910控制参数K0.50.10.250.10.080.050.080.080.080.08Ti0000.00050.00010.00010.00010.000150.000150.00015Td0000000.10.512超调量%发散60590564654574433过渡时间s∞950970970970990960900750500衰减比>14.28/11.8/14.87/15.7/14.5/16.5/110/1上升时间200140170140140135180表5.15.3旁路干扰旁路扰动的传递函数为W(S)=1）幅值为0.1时图5.12超调量13%，调节时间为1100s幅值为0.05时图5.13超调量7%，调节时间为700s幅值为0.03时图5.14超调量3%，调节时间为500s旁路干扰的幅值越大，动态指标越不好。5.4副回路扰动副回路扰动的传递函数为W(S)=1）阶跃扰动幅值为0.01时图5.15超调量为5%，调节时间为700s2）幅值为0.005图5.16超调量为3%，过渡时间为600s幅值为0.02图5.17超调量3%，调节时间为600s副回路扰动幅值越大，动态指标越不理想。5.5思考题思考：1）在这种情况下，和(2)中单回路控制系统控制质量有什么变化？为什么会有这样的变化？由于双容水箱是一个二阶系统，而单容水箱是一个一阶系统。阶次越高，系统的稳态精度越高，稳定性越差。所以，一阶系统的稳定性明显好于二阶系统。2）在这种情况下，你有什么办法提高控制系统的控制质量？详细说明你的想法。使用串级控制系统两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。也可以加入构成前馈串级复合控制系统，这样不仅能够克服主回路的扰动，也可以克服副回路的扰动，改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。6、实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计6.1串级控制系统原理：图6.1双容水箱串级控制系统框图6.1.1各部分环节所对应的物理意义1）主被控参数：又称主变量，在串级控制系统中，起主导作用的，关系到产品产量和质量或操作安全的那个被控量。水箱液位与进水流量的串级控制系统中的下水箱水位即主被控参数。2）副被控参数：又称副变量，为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。水箱液位与进水流量的串级控制系统中的上水箱水位即副被控参数。3）主控制器：按主被控参数的测量值与设定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的设定值。水箱液位与进水流量的串级控制系统中的下水箱液位控制器即主控制器。4）副控制器：按副被控参数的测量值与主控制器来的设定值之间的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制调节阀。水箱液位与进水流量的串级控制系统中的上水箱水位控制器即副控制器。6.1.2控制依据和控制功能本系统的主控量为上水箱的液位高度H，副控量为调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。6.1.3串级控制系统的特点和优势：1、改善了被控过程的动态特性。等效副对象时间常数的减小，意味着控制通道缩短，使得控制作用更加及时，响应速度更快。副对象放大系数的缩小可使串级控制系统中的主控制器的放大系数整定得比单回路控制系统更大些，这可以提高控制系统的抗干扰能力。2、提高了系统的工作频率。串级控制系统工作频率的提高，可使系统振荡周期缩短，改善系统的控制质量。3、具有较强的抗干扰能力。串级控制系统的抗扰动能力比单回路控制系统强。4、具有一定的自适应能力。当系统操作条件和负荷发生变化时，被控过程的静态特性有时会受到一定程度的影响，这样当被控过程特性发生改变时，原来整定的PID参数就不能保证控制系统运行在最佳状态。串级控制系统对被控对象的时变特性具有一定的自适应能力。6.2双容PID调节1先调节负调节器参数比例作用P=0.1P=0.14图6.2图6.3上升时间60s余差5%上升时间40s余差3.5%比例积分作用P=0.14I=0.0005P=0.1I=0.0005图6.4图6.5上升时间60s余差0上升时间60s余差02副调节器调好的情况下，调节主调节器参数主调节器P=3P=6图6.6图6.7上升时间50s余差5%上升时间50s余差5%P=3I=0.05P=3I=0.1图6.8图6.9上升时间90s余差2%超调20%上升时间60s余差0超调45%P=3I=0.1D=0.001图6.10图6.11上升时间60s余差0超调47%上升时间50s余差0超调36%6.3给定阶跃扰动幅值为2幅值为2图6.12图6.13上升时间50s余差0超调25.5%上升时间50s余差0超调28%6.4旁路干扰