雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計題目雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計任務(wù)圖1所示雙容水箱液位系統(tǒng)，由水泵1、2分別通過支路1、2向上水箱注水，在支路一中設(shè)置調(diào)節(jié)閥，為保持下水箱液位恒定，支路二則通過變頻器對下水箱液位施加干擾。試設(shè)計串級控制系統(tǒng)以維持下水箱液位的恒定。1圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖1圖1雙容水箱液位控制系統(tǒng)示意圖設(shè)計要求已知上下水箱的傳遞函數(shù)分別為：GP1(s)GP1(s)二AH(s) 1AU(s)125s+1Q(、AH(s)AH(s) 1p2 AQ(s)AH(s)20s+121要求畫出雙容水箱液位系統(tǒng)方框圖，并分別對系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真(假設(shè)干擾為在系統(tǒng)單位階躍給定下投運10s后施加的均值為0、方差為的白噪聲)；針對雙容水箱液位系統(tǒng)設(shè)計單回路控制，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖，并分別對控制系統(tǒng)在有、無干擾作用下的動態(tài)過程進行仿真，其中PID參數(shù)的整定要求寫出整定的依據(jù)(選擇何種整定方法，P、I、D各參數(shù)整定的依據(jù)如何)，對仿真結(jié)果進行評述；針對該受擾的液位系統(tǒng)設(shè)計串級控制方案，要求畫出控制系統(tǒng)方框圖及實施方案圖，對控制系統(tǒng)的動態(tài)過程進行仿真，并對仿真結(jié)果進行評述。設(shè)計任務(wù)分析系統(tǒng)建模基本方法有機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)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)學處理得到，測試法建模一般較機理法建模簡單，特別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)學模型已知，故采用機理建模法。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制對象特性：G(s)二竺02二—(上水箱傳遞函數(shù))；pi AU(s)5s+11G(s)=AH(1=竺凹二—J(下水箱傳遞函數(shù))。p2 AQ(s)AH(s)20s+121控制器：PID；執(zhí)行器：控制閥；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、方差為的白噪聲為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID）,控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（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(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能力。該設(shè)計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，會有很大的延遲，進而使控制器響應(yīng)滯后，影響控制效果，在實際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，無論如何調(diào)整PID參數(shù)，都將無法得到滿意的效果?？紤]到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。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：可發(fā)現(xiàn)，在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后,

分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。前饋-然后，加入前饋控制，在有干擾的情況下，比較單回路控制、前饋-反饋控制系統(tǒng)性能的變化，前饋-反饋控制系統(tǒng)框圖如下：干憂系統(tǒng)實施方案圖如下:設(shè)計內(nèi)容1）單回路PID控制的設(shè)計MATLAB仿真框圖如下（無干擾）:

先對控制對象進行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10：1。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)為零，比例帶§為較大值，即MATLAB中K為較小值。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:參數(shù)：，Ti=無窮大，TD=0經(jīng)觀測，此時衰減比近似10：1,周期Ts=14s,根據(jù)衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數(shù)，，取12；（注，MATLAB中）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下,

1.5參數(shù)：Kl=12,,觀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)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化,研究各調(diào)節(jié)器的作用。保持I、D參數(shù)為定值，改變P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=16,，

參數(shù)：Kl=20,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。保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=10,參數(shù)：Kl=12,Ti=l,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)節(jié)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。保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下:參數(shù)：K1=12,，

參數(shù)：Kl=12,,比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的增大，最大動態(tài)偏差減小，衰減率增大，振蕩頻率增大。現(xiàn)向控制系統(tǒng)中加入干擾，以檢測系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的仿真框圖如Band-LimitedTranspmrt'■A'hiteNoissDelayFID2]/口: 3 r ?LStepikFIDController7ransferFcnRecipe下:階躍響應(yīng)曲線如下:

參數(shù)：Kl=12,,觀察以上曲線，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，單回路控制系統(tǒng)，在有干擾的情況下，很難保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，考慮串級控制。2）串級控制系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：當無噪聲時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示:1A1.H-1.21I 1i 1II ii 0L— 0.80.60.40.2□〔■■■■ r■■■ ■ ■■■■■■■■■■■■ii■■■■■■■■■■■aii■■■■■■■■■■■i■■■■■■■■■■■■l■■■■■■■■■■■ml] 10 20 30 40 50 6參數(shù)：Kl=12,,,比較單回路控制系統(tǒng)無干擾階躍響應(yīng)可知，串級控制降低了最大偏差，減小了振蕩頻率，大大縮短了調(diào)節(jié)時間?，F(xiàn)向系統(tǒng)中加入噪聲，觀察不同P條件下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線：參數(shù)：K1=12,,，

1.4參數(shù)：Kl=12,,,參數(shù)：K1=12,,,觀察以上曲線可知，當副回路控制器，調(diào)節(jié)時間都有所縮短，系統(tǒng)快速性增強了，在干擾作用下，當增益相同時，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，最大偏差更小?？梢匀〉昧钊藵M意的控制效果。設(shè)計總結(jié)1）通過本次設(shè)計，學會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認識。2）基本掌握了簡單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認識，通過實驗驗證的方式，很多內(nèi)容印象非常深刻。3）通過仿真驗證了串級控制對干擾的強烈抑制能