/書目1.設(shè)計題目 22.設(shè)計任務(wù) 23.設(shè)計任務(wù)分析 24.設(shè)計內(nèi)容 55.設(shè)計總結(jié) 136.參考文獻 14雙容水箱液位限制系統(tǒng)設(shè)計1.設(shè)計題目雙容水箱液位限制系統(tǒng)設(shè)計2.設(shè)計任務(wù)如圖1所示的兩個大容量水箱。要求水箱2水位穩(wěn)定在確定高度，水流量經(jīng)常波動，作為擾動量存在。試針對該雙容水箱系統(tǒng)設(shè)計一個液位流量串級限制方案。圖1系統(tǒng)示意圖3.設(shè)計任務(wù)分析系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分駕馭，并且可以比較精確的加以數(shù)學(xué)描述的狀況；測試法建模是依據(jù)工業(yè)過程的實際狀況對其輸入輸出進行某些數(shù)學(xué)處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡潔，特殊是在一些高階的工業(yè)生產(chǎn)對象。對于本設(shè)計而言，由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型已知，故接受機理法建模。在該液位限制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：限制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；主被控對象（水箱2水位）傳遞函數(shù)W1=1/(100s+1),副被控對象（流量）傳遞函數(shù)W2=1/(10s+1)。檢測對象特性：Gm1（S）=1/（0.1S+1）（液位傳感器）；Gm2（S）=1/（0.1S+1）（流量傳感器）。限制器：PID；執(zhí)行器：限制閥；干擾信號：在系統(tǒng)單位階躍給定下運行10s后，施加均值為0、方差為0.01的白噪聲。為保持水箱2液位的穩(wěn)定，設(shè)計中接受閉環(huán)系統(tǒng)，將水箱2液位信號經(jīng)水位檢測器送至限制器（PID），限制器將實際水位和設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（限制閥），從而變更流量調(diào)整水位。當(dāng)對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)限制系統(tǒng)理論上可以達到比較好的效果，系統(tǒng)也將有較好的抗干擾實力。該設(shè)計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象限制通道相對較長，假如接受單閉環(huán)限制系統(tǒng)，當(dāng)水箱2有干擾時，此干擾經(jīng)過限制通路傳遞到水箱2，會有很大的延遲，進而是限制器響應(yīng)滯后，影響限制效果，在實際生產(chǎn)中，假如干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果?？紤]到串級限制可以使某些主要干擾提前被發(fā)覺，及早限制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測水箱1流量，將流量信號傳至副限制器，然后干脆作用于限制閥，以此得到較好的限制效果。設(shè)計中，首先進行單回路閉環(huán)系統(tǒng)的建模，系統(tǒng)框圖如下：圖2單回路閉環(huán)系統(tǒng)框圖雙容水箱單閉環(huán)實施方案圖如下圖：圖3雙容水箱單閉環(huán)實施方案圖在無干擾狀況下，整定主限制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別變更P、I、D參數(shù)，視察各參數(shù)的變更對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種狀況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變更。然后，加入副回路、副限制器，在有無干擾的狀況下，比較單回路限制、串級限制系統(tǒng)性能的變更，串級限制系統(tǒng)框圖如下：圖4雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖雙容水箱液位流量串級系統(tǒng)實施方案圖如圖：圖4雙閉環(huán)系統(tǒng)實施框圖4.設(shè)計內(nèi)容1）單回路PID限制的設(shè)計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）：先對限制對象進行PID參數(shù)整定，這里接受衰減曲線法，衰減比為10:1.圖5單回路PID限制（a）將積分時間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0，微分時間常數(shù)Td調(diào)為0，比例帶δ為較大值，即MATLAB中K為較小值。（b）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10:1時，階躍響應(yīng)如下圖：圖6系統(tǒng)衰減10:1階躍響應(yīng)圖經(jīng)觀測，此時衰減比近似10:1，周期Ts=34s，K=40（c）依據(jù)衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數(shù)：K1=40*5/4=50，取50；Ti=1.2Ts=68s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.01），Td=0.4Ts=27.2s運用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：圖7PID整定參數(shù)圖視察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善?，F(xiàn)用限制變量法，分別變更P、I、D參數(shù)，視察系統(tǒng)性能的變更，探討各調(diào)整器的作用。（a）保持I、D參數(shù)為定值，變更P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：圖8限制變量法變更P比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的增大，最大動態(tài)偏差增大，余差減小，衰減率減小，振蕩頻率增大。（b）保持P、D參數(shù)為定值，變更I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：圖9限制變量法變更D比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，有I調(diào)整則無余差，而且隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。（c）保持P、I參數(shù)為定值，變更D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著D參數(shù)的增大，最大動態(tài)偏差減小，衰減率增大，震蕩頻率增大。現(xiàn)向限制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測系統(tǒng)的抗干擾實力，系統(tǒng)的仿真框圖如下：圖10加入干擾后仿真圖階躍響應(yīng)曲線如下：圖11干擾時階躍響應(yīng)圖視察以上曲線，并和無干擾時的系統(tǒng)框圖比較可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降較大，在干擾作用時，很難穩(wěn)定下來，出現(xiàn)了長時間的小幅震蕩，由此可見，單回路限制系統(tǒng)，在有干擾的狀況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級限制。串級限制系統(tǒng)的設(shè)計主限制器的選擇：主被控變量（液位）是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，所以主限制器應(yīng)選用PI限制規(guī)律副被控變量的設(shè)置是為了保證主被控變量的限制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高限制質(zhì)量，可以允許在確定范圍內(nèi)變更，允許有確定的余差，因此副限制器可以接受P限制規(guī)律，因為主要為了提高響應(yīng)速度。在工程實踐中，串及限制系統(tǒng)常用的整定的方法有以下三種:逐步靠近法，兩步整定法，一步整定法。本設(shè)計接受一步整定法一步整定法就是依據(jù)閱歷先確定副限制器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋限制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)整器的參數(shù)，具體的方法是：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)純?yōu)楸壤饔玫臓顩r下，依據(jù)K02/δ2=0.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)整器的比例放大系數(shù)δ2或按閱歷選取，并將其設(shè)置在副回路調(diào)整器上。（2）依據(jù)單回路限制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)整器的參數(shù)，（3）變更給定值，視察被控量的相應(yīng)曲線，依據(jù)主調(diào)整器的放大系數(shù)K1和副調(diào)整器放大系數(shù)K2匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)整器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。（4）假如出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)整器的比例度δ或增大積分時間常數(shù)T1，就可得到改善對于該溫度串級限制系統(tǒng)，在確定范圍內(nèi)，主、副限制器的增益可以相互匹配，依據(jù)下表，可以大致確定副限制器比例帶和增益Kc2。副限制器對象溫度壓力流量液位比例帶20~6030~7040~8020~80增益Kc21.7~5.01.4~3.01.25~2.51.25~5.0依據(jù)題目要求先選擇Kc2=3.5然后在副回路已經(jīng)閉合的狀況下按單回路限制器參數(shù)整定方法整定主限制器，本方案接受10：1衰減曲線法整定，衰減曲線法是在閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)整器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大慢慢減小，加階躍擾動視察輸出響應(yīng)衰減過程，直道10：1衰減過程為止，這是的比例度為10：1衰減比例度用δs表示，相鄰兩波峰間的距離稱為10：1衰減周期TS，依據(jù)δs和TS，再由下表的閱歷公式，就可計算出調(diào)整器的預(yù)整定的參數(shù)值。衰減率 整定參數(shù)調(diào)整規(guī)律δTiTd0.75PδsPI1.2δs0.5TsPID1.8δs0.3Ts0.1Ts0.9PδsPI1.2δs2TsPID1.8δs1.2Ts0.4Ts系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：圖12有噪聲時仿真框圖當(dāng)無噪聲時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：圖13無噪聲時階躍響應(yīng)圖比較單回路限制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知，串級限制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調(diào)整時間。現(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，視察不同P、I條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：P=20I=1時圖14有噪聲時階躍響應(yīng)圖P=45I=2圖15不同參數(shù)的階躍響應(yīng)圖視察以上曲線可知，當(dāng)副回路限制器，調(diào)整時間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增加了，在干擾作用下，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾實力，最大偏差更小?？梢匀〉昧钊藵M意的限制效果。5.設(shè)計總結(jié)通過本次設(shè)計，學(xué)會了系統(tǒng)建模的一般步驟，駕馭了分析簡潔系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的限制器、執(zhí)行器、限制對象等各個部分有了更加直觀的相識?；抉{馭了簡潔系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對PID調(diào)整器中的P、I、D各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的相識，通過試驗驗證的方式，很多內(nèi)容印象特殊深刻。通過仿真驗證了串級限制對干擾的猛烈抑制實力，仿真過程中也熟悉了限制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，信任對以后的學(xué)習(xí)會有所幫助。從設(shè)計內(nèi)容來講，或許學(xué)習(xí)的僅僅是過程限制，學(xué)習(xí)的僅僅是MATLAB的操作，但設(shè)計過程中，從設(shè)計思想，到探討方法，再到結(jié)論總結(jié)都培育了自己的學(xué)習(xí)探討實力，這或許更重要。再有，之前學(xué)習(xí)的都是課本學(xué)問，只是學(xué)習(xí)給你一個系統(tǒng)然后怎么分析，而課程設(shè)計則是一個綜合過程，須要分析系統(tǒng)性能要求，同時也要考慮實際實現(xiàn)過程，在做的過程中我就遇到了懷疑，就是在副回路的取哪的流量構(gòu)成閉環(huán)，不知是在水箱1,2間還是在水箱1之前的管道取流量，為此我問了兩個老師，才最終知道了，就算我們分析系統(tǒng)時還有確定的實力，可是動手實力還是比較欠缺的?，F(xiàn)在就快要參加工作了，那就是實干，所以通過本次課程設(shè)計，讓我對之前學(xué)的學(xué)問能運用到