1、課程設(shè)計報設(shè)計題目：水箱液位控制系統(tǒng)班 級：自動化0901班學(xué) 號：20092400姓 名：弟文指導(dǎo)教師：王姝梁巖設(shè)計時間：2012年5月7日至5月25日摘要水箱液位控制系統(tǒng)是典型的自動控制系統(tǒng)，在工業(yè)應(yīng)用上可以模擬水塔液位、爐成分等 多種控制對象的自動控制系統(tǒng)。本次課程設(shè)計通過將電磁流量計和渦輪流量計分別作為主管道和副管道控制系統(tǒng)的調(diào) 節(jié)閥控制水箱液位高度。首先通過測取被控液位高度過程的圖像，建立了主回路的進(jìn)水流 量和主管道流量、進(jìn)水流量和水箱（上）液位高度、副回路進(jìn)水流量和水箱（上）液位、 雙容水箱的進(jìn)水流量和水箱（下）液位之間的數(shù)學(xué)模型，從而加強(qiáng)了對液位控制系統(tǒng)的了 解。然后，通過參數(shù)試

2、湊法對PID參數(shù)的調(diào)試，實現(xiàn)了單容水箱液位（上）的單回路控制 系統(tǒng)和雙容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計。最后通過MATLAB仿真實驗，加深 了對雙容水箱滯后過程已經(jīng)串級水箱液位過程和前饋控制系統(tǒng)的理解，對工業(yè)控制工程中 對控制系統(tǒng)設(shè)計過程有了一定的認(rèn)識。關(guān)鍵詞：水箱液位 控制器PID參數(shù)整定串級控制前饋控制目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 引言2 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 課程設(shè)計任務(wù)及要求2 HYPERLINK l bookmark10 o Curr

3、ent Document 實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 實現(xiàn)水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級控制系統(tǒng)設(shè)計3 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 實現(xiàn)副回路進(jìn)水流量的前饋控制4 HYPERLINK l bo

4、okmark20 o Current Document 實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 過程建模5 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 進(jìn)水流量和主管道流量模型5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 進(jìn)水流量和上水箱液位模型7 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 副回路流量與上水箱

5、液位數(shù)學(xué)模型8 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 雙容水箱串聯(lián)進(jìn)水流量與下水箱液位模型10 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 單容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計11 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 結(jié)構(gòu)原理11 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 單容水箱控制器PID參數(shù)整定 12 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 單容水箱比例系數(shù)Kp的整定12 H

6、YPERLINK l bookmark56 o Current Document 單容水箱積分時間參數(shù)整定13 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 單容水箱微分時間參數(shù)整定13 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 單容水箱旁路階躍干擾響應(yīng)曲線14 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 單容水箱副回路進(jìn)水階躍干擾響應(yīng)曲線14 HYPERLINK l bookmark67 o Current Document 干擾頻繁劇烈變化的解決辦法15 HYPERLIN

7、K l bookmark69 o Current Document 雙容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計15 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 雙容水箱單回路控制系統(tǒng)原理15 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 雙容水箱控制器PID參數(shù)整定仿真實驗 17 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 比例參數(shù)的整定17 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 積分常數(shù)參數(shù)的整定18 HYPERLINK l bookmar

8、k81 o Current Document 微分常數(shù)參數(shù)的整定18 HYPERLINK l bookmark83 o Current Document 雙容水箱抗干擾能力檢驗19 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 雙容水箱提高控制質(zhì)量方法19 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 實現(xiàn)上水箱液位與進(jìn)水流量的串級級控制系統(tǒng)設(shè)計20 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 串級副回路參數(shù)整定22 HYPERLINK l bookmark91 o Curren

9、t Document 串級主回路參數(shù)整定23 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 串級主回路比例參數(shù)整定24串級主回路積分參數(shù)整定24串級主回路微分參數(shù)整定25 HYPERLINK l bookmark95 o Current Document 串級控制系統(tǒng)給定負(fù)階躍響應(yīng)曲線25 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 副回路進(jìn)水流量劇烈變化解決辦法25 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 副回路進(jìn)水流量的前饋控制26 HYPERLINK l bookma

10、rk101 o Current Document 副回路進(jìn)水流量和水箱上液位前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)26 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 前饋控制器模型的確立26 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定 27 HYPERLINK l bookmark107 o Current Document 前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)不加前饋控制器27 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 收獲體會和建議28引言通過本次課程設(shè)計，

11、加深了對自控控制系統(tǒng)理論知識的理解，了解了一些工業(yè)生產(chǎn)過 程中控制系統(tǒng)設(shè)計的過程，結(jié)合了所學(xué)的理論知識和實際工業(yè)應(yīng)用過程，提高了動手能力。通過對系統(tǒng)過程的建模及PID參數(shù)整定，對自動控制系統(tǒng)設(shè)計步驟有了更清晰的步驟。 并發(fā)現(xiàn)自己理論知識的不足的地方，在今后的過程中應(yīng)加強(qiáng)學(xué)習(xí)自己所缺乏的理論知識。針對本次課程設(shè)計過程對老師們提出一點建議，本次課程設(shè)計的程序，界面都是事先做 好的。我覺得下次老師可以把寫程序和編界面作為課設(shè)的容，讓同學(xué)們有機(jī)會真正的熟悉 設(shè)計一套控制系統(tǒng)的過程。課程設(shè)計任務(wù)及要求實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模描述實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)圖及語言描述）。利用實驗建模方法建立進(jìn)水流量和主管道流

12、量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫出具體 的建模步驟及結(jié)果。利用實驗建模方法建立進(jìn)水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫出 具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對象的階躍響應(yīng)曲線（2種不同幅值的階躍擾動）。利用實驗建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫 出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對象的階躍響應(yīng)曲線（2種不同幅值的階躍擾動）。利用實驗建模方法建立雙容水箱（上下串聯(lián)）的進(jìn)水流量（上水箱進(jìn)水）和水箱（下） 液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。要求寫出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對象的階躍響應(yīng)曲線 （2種不同幅值的階躍擾動）。實現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計畫出此單回路控制系統(tǒng)

13、的控制原理圖及方框圖。詳細(xì)說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部 分環(huán)節(jié)所對應(yīng)的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設(shè)定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達(dá)到滿意 的控制質(zhì)量。要求在PID參數(shù)調(diào)試過程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄 6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)），并說明你做參數(shù)進(jìn)一步調(diào) 整的原因，進(jìn)而掌握PID控制作用對控制質(zhì)量的影響?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄 與其對應(yīng)的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不 要去調(diào)整PID參數(shù)）。打開副回路

14、進(jìn)水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應(yīng)的控制 系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參 數(shù)）。實現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計畫出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細(xì)說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部 分環(huán)節(jié)所對應(yīng)的物理意義。說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設(shè)定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達(dá)到滿意 的控制質(zhì)量。要求在PID參數(shù)調(diào)試過程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄 6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)），并說明你做參數(shù)進(jìn)一步調(diào) 整的原因，進(jìn)

15、而掌握PID控制作用對控制質(zhì)量的影響。控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄 與其對應(yīng)的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不 要去調(diào)整PID參數(shù)）。打開副回路進(jìn)水閥（3種開度模擬3種不同幅值的階躍擾動），記錄與其對應(yīng)的控制 系統(tǒng)過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參 數(shù)）。實現(xiàn)水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級控制系統(tǒng)設(shè)計畫出此串級控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細(xì)說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分 環(huán)節(jié)所對應(yīng)的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位 單回路控制系統(tǒng)相

16、比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。采用經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)主、副控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制質(zhì)量。要求寫 出調(diào)試控制器參數(shù)的具體步驟。在PID參數(shù)調(diào)試過程中，記錄10組以上的控制系統(tǒng)過渡過 程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）來說明你的調(diào)試過程，并說明你做參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整的 原因。在設(shè)定值發(fā)生階躍變化（設(shè)定值階躍增大及設(shè)定值階躍減?。r，觀察并記錄控制 系統(tǒng)的過渡過程（過渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）。打開旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動），記錄與其對應(yīng)的控制系統(tǒng)過渡過程（過渡 過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）；并和（1）中的控制質(zhì)量進(jìn)行對比，分析并說明控制質(zhì)量變 化的原因。打開副回路進(jìn)水閥（較大幅

17、值的階躍擾動），記錄與其對應(yīng)的控制系統(tǒng)過渡過程（過 渡過程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）；并和（1）中的控制質(zhì)量進(jìn)行對比，分析并說明控制質(zhì)量 變化的原因。實現(xiàn)副回路進(jìn)水流量的前饋控制畫出此前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細(xì)說明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對應(yīng)的物理意義；說明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系 統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢。試求解前饋控制器的模型。采用簡化模型代替前饋控制器，利用Matlab仿真軟件調(diào)節(jié)前饋控制器參數(shù)，使得副回路進(jìn)水流量發(fā)生劇烈變化時，控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制質(zhì)量。寫出前饋控制器參數(shù)的調(diào) 試步驟，記錄與其對應(yīng)的

18、6組以上的控制系統(tǒng)過渡過程（包括：過渡過程曲線，控制質(zhì)量 指標(biāo)），充分反映你的參數(shù)調(diào)試過程。實驗系統(tǒng)熟悉及過程建模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗室有兩套水箱液位系統(tǒng)控制，主管道控制系統(tǒng)是由控制器、調(diào)節(jié)閥、電磁流量計、 上下串聯(lián)水箱以及水箱液位檢測變送器組成。副管道控制系統(tǒng)由控制器、變頻器、渦輪流 量計、上下串聯(lián)水箱以及水箱液位檢測變送器組成。下面以主管道上水箱液位控制系統(tǒng)為 例說明控制系統(tǒng)工作過程。系統(tǒng)有自動和手動模式，如圖3-1所示，調(diào)節(jié)閥為氣開閥，水箱液位過程為正過程，控 制器為反作用方式。圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖模式當(dāng)設(shè)置系統(tǒng)工作方式為自動時，可以設(shè)置水箱液位高度r,通過PID控制器的設(shè)置，控 制調(diào)節(jié)閥的開度，

19、從而保持水箱的液位高度穩(wěn)定。如果出現(xiàn)擾動，通過水箱液位檢測器反 饋，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果反饋值大于設(shè)定值，則e0,通過反作用方式控制器時控制器的輸出為負(fù)，減小調(diào)節(jié)閥 的開度，從而使水箱液位減小，同樣能保證液位保持穩(wěn)定值不變。其調(diào)節(jié)過程如下：r箱:液位 _控制器箱人一校審.走諭二.押節(jié)語開及 _ 小貂液位增大國減?。ゝ減風(fēng)或增大）f 砌謳增大）f峨小（或增大）f 版N或增大）圖3-2 水箱液位調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)也可以設(shè)置手動模式，此時通過開關(guān)切換跳過PID控制器直接對調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn) 行設(shè)置。可以改變進(jìn)水流量，從而改變水箱液位高度，使液位高度達(dá)到新的平衡。過程建模控制質(zhì)量的優(yōu)劣是工業(yè)過程自動控制中最

20、重要的問題，它主要取決于自動控制系統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)及組成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的特性。為了很好的控制一個過程，需要知道當(dāng)控制量變化 一個已知量時，被控量如何改變并最終將改變多少以及向哪個方向改變、被控量的變化將 需要經(jīng)歷多長時間、被控量隨時間變化的曲線形狀等。這些均依賴于被控過程的數(shù)學(xué)模型。 因此，建立被控過程的數(shù)學(xué)模型是自動控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。被控過程的數(shù) 學(xué)模型是指被控過程的輸出變量與輸入變量之間的函數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式。測取階躍響應(yīng)曲線的目的是為了得到表征所測對象的數(shù)學(xué)模型，為分析、設(shè)計控制系統(tǒng)， 整定控制器參數(shù)或改進(jìn)控制系統(tǒng)提供必要的參考依據(jù)。由階躍響應(yīng)曲線確定過程得數(shù)學(xué)模 型，首先就要

21、選定模型得結(jié)構(gòu)，然后再由階躍響應(yīng)曲線確定過程的放大系數(shù)、時間常數(shù)以 及時間滯后，就可以得到被控過程的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)水流量和主管道流量模型關(guān)閉副管道回路控制系統(tǒng)，利用主管道將系統(tǒng)工作模式切換至手動方式，控制上水箱液 位。1O網(wǎng)B網(wǎng)*Wil旭坡;11席求:摩10曲卻I曲MM；總 施儡，圖3-3手動模式給定階躍響應(yīng)曲線首先將閥的開度設(shè)置為 20%，然后通過調(diào)節(jié)上水箱進(jìn)水閥和出水閥使液位保持穩(wěn)定， 實現(xiàn)無擾動調(diào)節(jié)。突然改變閥的開度，模擬給定階躍變化，觀察上主管道流量變化情況。如圖3所示。圖中紅線為閥的開度曲線，可以看出是一個階躍信號。粉紅色曲線為電磁流量曲線，通 過放大可以近似為無滯后一節(jié)慣性模型?？梢?/p>

22、假設(shè)流量變化模型為：W0(s)=(3.1)K0-T0 s +1一階非周期過程比較簡單，只需確定放大系數(shù)K0及時間常數(shù)T0即可獲得傳遞函數(shù)模型。確定靜態(tài)放大系數(shù)K0 :利用所測取的階躍響應(yīng)曲線估計并繪出被控量的最大穩(wěn)態(tài)值y，如圖4所示，放大系數(shù)k0為：K 0 = y 3)- y (0).&(3.2)確定時間常數(shù)T0 :由響應(yīng)曲線起點作切線與y相交點在時間軸上的投影，就是時間常數(shù) T0。由于切線不易作準(zhǔn)，從式(3-15)可知ay(T0) = 0.632K0Ax = 0.632Ay(s)，所以響應(yīng)曲線 y4) = 0,632y(s)所對應(yīng)的時間11就是時間常數(shù)T0，同理響應(yīng)曲線y(12) = 0.8

23、65y(s)所對應(yīng)的時 間12是2倍時間常數(shù)，即2T0。yy (0)ty 3) 0.865 Ay Q) 0.632A y(8)T02T0圖3-4 無滯后一階對象的響應(yīng)曲線通過wincc界面測得數(shù)據(jù)，電磁流量初始穩(wěn)態(tài)值y1=0.1885,給定幅值A(chǔ)R%為10%階躍 響應(yīng)后重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)值y2=0.2517?？梢杂嬎愠觯海?.3）0.2517 0.1885 K = y（8） y （0）/AR =-= 6.32 x10-3010（3.4）同時可以計算出T0時刻電磁流量值：y 二 (0.2517 0.1885) x 0.632 + 0.1885 = 0.2063 T0可以對應(yīng)查找t1(63.2%)的值如

24、下表所示：表3-1電磁流量T0時刻表電磁流量t0(0%)t1(63.2%)時亥U04:04:1304:04:21由此可以計算出、的值：（3.5）T0 = t1 - t0 = 8 s綜上所述，得出進(jìn)水流量與主管道流量之間的數(shù)學(xué)模型為：W0 (s) =6.32 x10-38 s +1（3.6）進(jìn)水流量和上水箱液位模型圖3-3所示黃色曲線為上水箱液位高度曲線，同樣可以看出上水箱液位和主管道流量同 樣滿足一階慣性環(huán)節(jié)。上水箱液位和進(jìn)水流量液位之間的模型為：W（s） = K T0si1（3-7）11 Ts +11但是上水箱液位時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量的時間常數(shù)，即 T0 ,所以模型可以近似 為一階慣性模

25、型：W (s) =1（3.8）K1-Ts +11通過Wincc界面測得數(shù)據(jù)，電磁流量初始穩(wěn)態(tài)值h1=2.90,進(jìn)水流量近似為階躍響應(yīng)， 計算其幅值時可以把最大值和最小值換算成100%的階躍，當(dāng)閥的開度為100%時，電磁流量為0.6948，所以有：Ax % =0.2517 0.18850.6948x100%（3.9）重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h2=13.60?？梢杂嬎愠?，同時可以計算出、時刻電磁流量值:（3.10）K 0 = h Q)- h (0)/Ax = 1.19h 二 (13.60 2.90) x 0.632 +13.60 = 9.66(3.11)T0可以對應(yīng)查找h1(63.2%)的值如下表所示：表3

26、-2上水箱液位T1時刻表上水箱液位h0(0%)h1(63.2%)時亥U04:04:1304:06:53由此可以計算出、的值:（3.12）T = t1 -10 = 160 s綜上所述，得出進(jìn)水流量與主管道流量之間的數(shù)學(xué)模型為：&( s)=1.19160 s +1（3.13）副回路流量與上水箱液位數(shù)學(xué)模型關(guān)閉主管道回路控制系統(tǒng)，利用副管道將系統(tǒng)工作模式切換至手動方式，控制上水箱 液位。首先將變頻器輸出頻率設(shè)置為30Hz，然后通過調(diào)節(jié)上水箱進(jìn)水閥和出水閥使液位保 持穩(wěn)定，實現(xiàn)無擾動調(diào)節(jié)。突然改變變頻器輸出為35Hz，模擬給定階躍變化，觀察上主管道流量變化情況。如圖 3-5黃色曲線為上水箱液位高度曲線

27、，同樣可以看出上水箱液位和副管道流量同樣滿足一階 慣性環(huán)節(jié)。上水箱液位和進(jìn)水流量液位之間的模型為：W2(s) = KTs +12 Ts +1（3.14）圖3-5副回路手動模式給定階躍響應(yīng)曲線但是上水箱液位時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)水流量的時間常數(shù)，即T1 T，所以模型可以近似為一階慣性模型：W (s)二-K- 2 Ts +1（3.15）通過wincc界面測得數(shù)據(jù)，電磁流量初始穩(wěn)態(tài)值h1=2.092,副管道進(jìn)水流量近似為階躍響應(yīng)，同樣，計算其幅值時可以把變頻器輸出最大值和最小值換算成100%的階躍，當(dāng)變頻器最大為60HZ時，渦輪流量為0.4513。于是：A % = 0.1913 一 .091 x 100

28、%0.4513重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h2=18.25?？梢杂嬎愠鯧同時可以計算出T時刻電磁流量值:K0 = hQ)- h(0) Ax = 0.78h ;(18.25 2.092) x 0.632 +18.25 : 12.304T2可以對應(yīng)查找h1(63.2%)的值如下表所示：上水箱液位h0(0%)h1(63.2%)時亥U10:53:0710:55:56表3-3上水箱液位T2時刻表由此可以計算出、的值:T = t -1 = 169 s綜上所述，得出進(jìn)水流量與主管道流量之間的數(shù)學(xué)模型為：嗎 s)= 10sl（3.16）（3.17）（3.18）（3.19）（3.20）雙容水箱串聯(lián)進(jìn)水流量與下水箱液位模型下水

29、箱液位高度曲線如下圖綠色曲線所示：圖3-6下水箱液位高度曲線從圖可以看出為S狀的階躍響應(yīng)曲線若對模型精度要求較高，則應(yīng)采用二階對象的模 型結(jié)構(gòu)，故可以假設(shè)下水箱液位和進(jìn)水流量液位之間的模型為：(3.21)W (s) =&o(Ts + 1)(Ts +1)式中，K0、T1、T2的求法如下:第一，求取過程的靜態(tài)放大系數(shù)k0。第二(3.22)K 3 = y 3) - y (0)3=1.3T1、T2可根據(jù)階躍響應(yīng)曲線上的兩個點來確定，如圖7所示，首先讀取y(t1) = 0.4yQ)和y(t2 = 08yQ)所對應(yīng)的時間t1和12值，測量時刻如表3所示。由此可以計算出t1= 238s，t =510S。然后

30、利用下式計算t、21T2。下水箱液位h0(0%)h1 (40%)h1 (80%)時亥U04:04:1304:08:1104:12:43表3-4 雙容下水箱液位時刻表計算發(fā)現(xiàn)tj廣0.46，可采用下式所示的二階環(huán)節(jié)近似，即:KW ( S )=3 3(Ts + 1)23（3.23）此時，時間常數(shù)為：T = i + ! = 171.563 2 X 2.18綜上所述可知雙容水箱串級下水箱液位與進(jìn)水流量模型（3.24）1.3(171.56 s +1)2（3.25）4 單容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計4.1 結(jié)構(gòu)原理在設(shè)計過程控制系統(tǒng)時，如何選擇控制器，以滿足生產(chǎn)工藝要求至關(guān)重要， 當(dāng)，可能根本達(dá)不到控制

31、要求。本次課程設(shè)計通過對PID控制器參數(shù)整定，進(jìn) 過程控制系統(tǒng)設(shè)計過程。單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖如圖4-1所示。如果選擇不一步熟悉了圖4-1單回路控制系統(tǒng)原理圖根據(jù)原理圖可以畫出對應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如下：圖4-2單回路控制系統(tǒng)的控制原理方框圖PID控制器是調(diào)節(jié)器，需要我們手動設(shè)置參數(shù)，其傳遞函數(shù)為:1W (s) = K(1+ + T s)(4.1)cTs di 調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，隨輸入信號增大通過水流量也增大。上水箱液位控制過程之前已經(jīng)建KoT0s+1立過模型，其傳遞函數(shù)為：(4.2)當(dāng)工作模式切換到自動模式時，PID控制器工作。手動設(shè)定液位高度，液位檢測器檢 測實際水箱液位高度與設(shè)定值進(jìn)行比較，

32、如果有偏差，通過PID控制器，可以改變調(diào)節(jié)閥 的開度，從而改變水箱液位高度，使得水箱液位與設(shè)定值相等。當(dāng)出現(xiàn)擾動使液位高度改變時，通過PID控制器同樣能使液位高調(diào)節(jié)到設(shè)定值不變。4.2單容水箱控制器PID參數(shù)整定系統(tǒng)設(shè)計需要調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設(shè)定值發(fā)生階躍變化時，控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制 質(zhì)量。本次課程設(shè)計中采用經(jīng)驗湊試法整定PID參數(shù)，達(dá)到的控制效果滿足控制要求。經(jīng)驗湊試法(現(xiàn)場湊試法)是根據(jù)經(jīng)驗先將控制器的參數(shù)放在某一數(shù)值上，直接在閉環(huán) 控制系統(tǒng)過改變設(shè)定值施加擾動，觀察過渡過程曲線形狀，運(yùn)用3、Tj、T,對過渡過程的 影響為依據(jù)，按規(guī)定的順序?qū)Ρ壤?、積分時間T,和微分時間TD逐個進(jìn)

33、行反復(fù)湊試，直 到獲得滿意的控制質(zhì)量本次課程設(shè)計認(rèn)為比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度湊試好，待過渡過 程已基本穩(wěn)定，然后加積分作用以消除余差，最后加入微分作用以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。實驗操作時，需要把控制方式切換到自動模式，首先設(shè)定積分時間常數(shù)Ti =，微分時 間常數(shù)TD = 0，比例系數(shù)P從小到大改變以試出比較理想的控制效果。單容水箱比例系數(shù)Kp的整定如圖4-3、圖4-4所示為調(diào)試比例系數(shù)過程，K =5時達(dá)到穩(wěn)定的時間比較大，需要增大 P比例作用，所以Kp應(yīng)該增大。當(dāng)Kp=18時達(dá)到穩(wěn)定的時間短，超調(diào)也很小，所以認(rèn)為此時比 例系數(shù)比較合理。圖4-3 K =5控制效果P圖4-4 KP

34、=18控制效果但是圖4-4所示的液位高度設(shè)定值是22，而達(dá)到穩(wěn)定時液位高度為21.2，存在比較大的偏差，所以需要引入積分作用。4.2.2單容水箱積分時間參數(shù)整定根據(jù)經(jīng)驗湊試法調(diào)節(jié)步驟，首先將比力度放大10%20%,取K=15不斷調(diào)節(jié)T的大小，使之I圖4-5 T =104ms I圖4-6 T=7X104msI圖4-7 T=8X104ms I如圖3-12所示，當(dāng)T=104ms I階躍響應(yīng)震蕩過于劇烈，積分作用太強(qiáng)，應(yīng)該減弱積分作用，增大TI。TI=7X104ms,遞減比為7.28:1。控制效果比較好，再增大積分時間時，遞減比 反而增大，如圖12, T=8X104ms,遞減比為8.3:1。綜合以上敘

35、述可知，T=7X104ms相對最 合理。從實驗效果來看可以不加微分作用就能滿足要求。而實際上單容水箱滯后不明顯， 可以不加微分。為了加強(qiáng)對控制系統(tǒng)設(shè)計的了解，我們?nèi)匀灰肓宋⒎肿饔?，但是改善?果作用不大。4.2.3單容水箱微分時間參數(shù)整定先將比例度減小10%20%,取K=16.2,時間常數(shù)T=7X104ms,調(diào)節(jié)微分作用。T =1.5PX104ms時效果比較好，從圖4-8所示。從圖可以看出，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調(diào)節(jié)。4.3 單容水箱旁路階躍干擾響應(yīng)曲線通過PID控制器參數(shù)的整定，可以使輸出穩(wěn)態(tài)值達(dá)到設(shè)定值，且響應(yīng)速度比較快，控制 效果好。但是要評價一個系統(tǒng)

36、的好壞，不能只看輸出值是否能達(dá)到設(shè)定值，還要看系統(tǒng)是 否有抗干擾能力。工業(yè)現(xiàn)場有很多因素會影響控制過程，我們稱之為擾動。為檢驗系統(tǒng)是 否有抗干擾能力，可以在控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，打開旁路干擾閥，不同開度的旁路閥可以 模擬不同的階躍擾動。圖4-9旁路階躍擾動如圖4-9所示，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，打開一個較小開度的旁路閥，通過PID控制器的調(diào)節(jié)， 能很快抑制干擾。但是如果旁路閥開度太大，即干擾太大，超出了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)圍，此時調(diào) 節(jié)閥開度已經(jīng)為0，但系統(tǒng)卻無法重新平衡，水箱液位曲線呈發(fā)散狀態(tài)。從整體效果來看， 控制系統(tǒng)能抑制較大的干擾，而且能快速響應(yīng)擾動，控制效果好。單容水箱副回路進(jìn)水階躍干擾響應(yīng)曲線我們都

37、知道，工業(yè)現(xiàn)場有很多因素會干擾控制效果，也有很多通道會出現(xiàn)這種干擾， 剛剛我們通過改變旁路閥的開度來模擬旁路通道擾動對控制系統(tǒng)的影響。為了進(jìn)一步檢驗 系統(tǒng)的抗干擾能力，我們選擇打開副回路進(jìn)水閥，模擬系統(tǒng)擾動因素，通過給副回路進(jìn)水 閥不同開度可以不同幅值的階躍擾動。如圖4-10所示，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，給副回路進(jìn)水閥一個合適的開度，通過PID控制器 的調(diào)節(jié)，能很快抑制干擾。但是如果開度太大，即干擾太大，超出了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)圍，此時 調(diào)節(jié)閥開度已經(jīng)為0，但系統(tǒng)卻無法重新平衡，水箱液位曲線呈發(fā)散狀態(tài)。從整體效果來看， 再次說明控制系統(tǒng)能抑制較大的干擾，而且能快速響應(yīng)擾動，控制效果好。圖4-10副回路階躍擾

38、動干擾頻繁劇烈變化的解決辦法如果干擾頻繁劇烈變化，一般可以通過設(shè)計串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)來解決。但是 兩種方法有不同的適應(yīng)條件。例如可測不可控干擾無法設(shè)計前饋控制系統(tǒng)來抑制干擾。而 可測可控的因素可以通過設(shè)計串級控制系統(tǒng)，快速抑制擾動。在已知被控過程傳遞函數(shù)的 情況下，前饋控制系統(tǒng)理論上可以完全消除干擾。因為旁路流量是可以測量也可以通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出來控制，如果旁路流量的頻繁， 劇烈變化對控制質(zhì)量有著嚴(yán)重的影響，可以設(shè)計串級控制系統(tǒng)來抑制擾動對控制質(zhì)量的影 響。而副回路進(jìn)水是可測不可控的量，所以只能設(shè)計前饋控制系統(tǒng)來抑制擾動對控制質(zhì)量的 影響。雙容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計雙容水箱單回

39、路控制系統(tǒng)原理雙容水箱單回路控制系統(tǒng)是由兩個水箱，一個液位高度檢測器，一個控制器，一個調(diào) 節(jié)閥組成，控制對象是下水箱液位。控制原理與單容水箱一致，不同的是，雙容水箱有較 大的容量滯后，所以PID控制器的設(shè)計比較麻煩，而且如果僅僅通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)，有時候不 一定能達(dá)到控制要求。本次課程設(shè)計可能由于設(shè)備的原因，調(diào)節(jié)效果不是很理想，沒有達(dá) 到需要的控制指標(biāo)，所以采用MATLAB進(jìn)行仿真模擬雙容水箱PID控制器設(shè)計過程。 雙容水箱單回路控制原理圖和對應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如下：圖5-2雙容水箱單回路控制系統(tǒng)的控制原理方框圖PID控制器是調(diào)節(jié)器，需要我們手動設(shè)置參數(shù)，其傳遞函數(shù)為：1W (s) = K(1+ +

40、T s)(4.3)cTs diK oT0s +1調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，隨輸入信號增大通過水流量也增大。上水箱液位控制過程之前已經(jīng)建 立過模型，下水箱液位控制過程機(jī)理與雙水箱液位一樣，其傳遞函數(shù)形式都為：(4.4)綜合來看，雙容水箱串聯(lián)可以寫成兩個水箱過程相乘，通過之前的建?？梢灾榔鋫鬟f函數(shù)為：W3( s)=1.3(171.56s +1)2(4.5)與單容水箱單回路控制系統(tǒng)類似，當(dāng)工作模式切換到自動模式時，PID控制器工作。 手動設(shè)定液位高度，液位檢測器檢測實際水箱液位高度與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果有偏差， 通過PID控制器，可以改變調(diào)節(jié)閥的開度，從而改變水箱液位高度，使得水箱液位與設(shè)定 值相等。與單容

41、水箱單回路控制系統(tǒng)不同的是，雙容水箱液位控制有滯后，調(diào)節(jié)時間長，PID參數(shù)整定比較麻煩。當(dāng)出現(xiàn)擾動使液位高度改變時，通過PID控制器同樣能使液位高度調(diào)節(jié)到設(shè)定值穩(wěn)定 不變。雙容水箱控制器PID參數(shù)整定仿真實驗可能因為實驗設(shè)備的原因，無法完成PID參數(shù)整定實驗，所以我們對于雙容水箱液位控 制系統(tǒng)控制器設(shè)計采用MATLAB仿真，以熟悉控制系統(tǒng)設(shè)計過程。與實驗單容水箱單回路控制系統(tǒng)實驗過程一樣，采用經(jīng)驗湊試法完成PID參數(shù)整定MATLAB仿真實驗。比例參數(shù)的整定雙容水箱比例參數(shù)整定仿真過程如下，如圖5-3，圖5-4，圖5-5所示。圖5-3雙容水箱K=8圖5-4雙容水箱K=0.7圖5-5雙容水箱K=0

42、.8圖5-6雙容水箱K=0.2如圖5-3所示，K=8時，曲線響應(yīng)快，但是曲線波動太大，說明比例作用太強(qiáng)，應(yīng)減小K，當(dāng)K=0.002時，曲線響應(yīng)平緩，說明比例作用太弱，應(yīng)該增大K。綜合來看，當(dāng)K=0.8時，比較合理。積分常數(shù)參數(shù)的整定圖5-8雙容水箱Ti=0.005圖5-7雙容水箱Ti=0.002圖5-9雙容水箱Ti=0.004如圖所示，積分作用Ti=0.002時，曲線太平緩，作用太弱，需要增大Ti。Ti=0.005時 作用，超調(diào)太大，需要且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間太長，需要減小Ti。Ti=0.004時，超調(diào)較小，上升 時間和穩(wěn)態(tài)時間都比較短。所以Ti=0.004比較合理。微分常數(shù)參數(shù)的整定K=0.8，Ti

43、=0.004的情況下，整定微分作用。圖5-10雙容水箱Td=100圖5-11雙容水箱Td=0.5圖5-12雙容水箱Td=0.1如圖所示雙容水箱Td=100時，微分作用太大，需要減小Td, Td=0.5和Td=0.1時效果不 是很明顯，但是放大圖仔細(xì)觀察Td=0.1時效果稍微好一些。雙容水箱抗干擾能力檢驗利用MATLAB仿真在采樣t為1400時刻加入一個擾動，觀察雙容水箱控制器參數(shù)整定后抗 干擾能力。有圖31可以看出，通過控制器PID參數(shù)的整定，雙容水箱可以抑制擾動對水箱液 位高度的影響。圖5-13雙容水箱抗干擾能力雙容水箱提高控制質(zhì)量方法無論是實驗，仿真，還是實際生產(chǎn)過程，雙容水箱液位控制由于

44、存在較大的容量滯后而 使得響應(yīng)緩慢，減弱了控制作用。響應(yīng)時間慢，超調(diào)增大。在這種情況下，首先可以通過 引入微分作用抵消部分滯后造成的影響。但是雙容水箱的液位控制調(diào)節(jié)時間長，動態(tài)偏差也較大，是典型的大滯后系統(tǒng)。若采 用簡單液位信號單回路控制進(jìn)水流量很難達(dá)到理想效果，因此，可以選用串級控制系統(tǒng)， 以充分利用其改善過程的動態(tài)特性、提高其工作頻率的特點。為此，可選擇一個滯后較小 的副參數(shù)，組成一個快速動作的副回路，以減小等效過程的時間常數(shù)，加快響應(yīng)速度，從而取得較好的控制質(zhì)量。因為實際液位受到進(jìn)水流量的直接影響，應(yīng)采用串級回路調(diào)節(jié)。下耀液位於測變造器圖5-16 上下水箱液位串級原理圖根據(jù)原理圖可以畫出

45、方框圖如下圖所示。上水箱液位監(jiān)測變透器圖5-17上下水箱液位串級方框圖實現(xiàn)上水箱液位與進(jìn)水流量的串級級控制系統(tǒng)設(shè)計水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級控制系統(tǒng)原理圖如下，該系統(tǒng)相對于單回路控制系 統(tǒng)而言，抑制干擾能力強(qiáng)。干擾對液位的的影響首先會引起流量的變化，流量檢測器檢測 到流量變化之后，首先通過環(huán)進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，如果擾動較小，環(huán)能消除干擾，如果擾動較 大，通過環(huán)能快速抑制擾動，再通過外環(huán)作用完成水箱液位控制。使液位達(dá)到穩(wěn)態(tài)值?？?而言之，串級能過加快控制器消除擾動對液位高度穩(wěn)態(tài)值的影響，提高抗干擾性能。圖6-1上水箱液位與進(jìn)水流量的串級原理圖根據(jù)上水箱液位與進(jìn)水流量的串級原理圖可以畫出對應(yīng)的方框圖

46、如下所示：,臚血圖6-2上水箱液位與進(jìn)水流量的串級方框圖RD芹 器為使串級控制系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，必須對其參數(shù)進(jìn)行正確整定。串級控制系統(tǒng)有主 環(huán)和副環(huán)兩個回路，也就有主、副兩個控制器，其中任一控制器的任一參數(shù)值發(fā)生變化， 對整個串級系統(tǒng)都有影響。因此，串級控制系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù) 雜一些。但整定的實質(zhì)卻是相同的，這就是通過改變控制器的參數(shù)，來改善控制系統(tǒng)的靜、 動態(tài)特性，以獲得最佳的控制質(zhì)量。串級控制系統(tǒng)從主回路來看，是一個定值控制系統(tǒng)， 因而其控制質(zhì)量指標(biāo)和單回路定值控制系統(tǒng)是一樣的。從副回路來看，它是一個隨動系統(tǒng)， 一般講，對它的控制質(zhì)量要求不高，只要能準(zhǔn)確、快速地跟隨

47、主控制器的輸出而變化就行 了。根據(jù)實際串級系統(tǒng)，可以將串級控制系統(tǒng)分為主，副兩個閉合回路的實際情況，分兩 步進(jìn)行。第一步整定副控制器參數(shù)；第二步，把已整定好的副控制器視為串級控制系統(tǒng)的 一個環(huán)節(jié)，對主控制器參數(shù)進(jìn)行整定。這就是所謂兩步整定法。利用下圖通過MATLAB對 上述要求進(jìn)行仿真。圖6-3上水箱液位與進(jìn)水流量的串級仿真結(jié)構(gòu)圖6.1 串級副回路參數(shù)整定圖6-4串級回路環(huán)k=1圖6-5串級回路環(huán)k=10圖6-8 K=300抗干擾能力圖6-9 K=400抗干擾能力因為副回路是一個隨動系統(tǒng)，對它的控制質(zhì)量要求不高，只要能準(zhǔn)確、快速地跟隨主 控制器的輸出而變化就行了。所以只需加比例作用并進(jìn)行整定。如上述幾個圖可以看出PID參數(shù)整定過程，環(huán)比例系數(shù)K在一定圍越大越好，比例系 數(shù)越大，階躍響應(yīng)時間越短，且抗干擾能力越強(qiáng)。但是如果環(huán)K太大容易引起不穩(wěn)定。如 下圖所示。所以選取環(huán)比例作用K=400。圖6-10環(huán)K=500不穩(wěn)定串級主回路參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從主回路來看，是一個定值控制系統(tǒng)，因而其控制質(zhì)量指標(biāo)和單回路定 值控制系統(tǒng)是一樣的。需要視情況對比例、積分、微分作用都進(jìn)行調(diào)節(jié)。6.2.1串級主回路比例參數(shù)整定圖6-11串級外環(huán)K=100圖6-12串級外環(huán)k=500從圖6-11和圖6-12來看，外環(huán)整定K越大越好，實際效果也不好確定。通過家擾動， 進(jìn)一步確定K的大小。