安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)雙容水箱實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)班級(jí)：過(guò)控08-3班答辯人：錢(qián)俊鋒指導(dǎo)教師：周毅鈞副教授匯報(bào)內(nèi)容安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)一、研究背景及意義

二、水箱建模與PID整定理論

三、控制方案設(shè)計(jì)

四、控制系統(tǒng)仿真與檢驗(yàn)

五、結(jié)論一、研究背景及意義雙容水箱是較為典型的非線性、時(shí)延對(duì)象，工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對(duì)雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立是非常有意義的。同時(shí)，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義，例如工業(yè)鍋爐、結(jié)晶器液位控制。而且，雙容水箱的控制可以作為研究更為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)，又具有較強(qiáng)的理論性，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)雙容水箱系統(tǒng)具有較強(qiáng)代表性和工業(yè)應(yīng)用背景，具有非常重要的研究意義和價(jià)值，主要是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn)：1、通過(guò)改變各個(gè)閥門(mén)的狀態(tài)可構(gòu)成靈活多變的對(duì)象，如一階對(duì)象、二階對(duì)象等；2、雙容水箱系統(tǒng)是典型的非線性、時(shí)延對(duì)象，所以可對(duì)其進(jìn)行非線性系統(tǒng)的辨識(shí)和控制等相關(guān)研究；3、雙容水箱系統(tǒng)可構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)等，從而對(duì)各種控制系統(tǒng)的研究提供可靠對(duì)象；4、由于對(duì)雙容水箱系統(tǒng)的控制主要通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成，所以，可由計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法來(lái)對(duì)水箱系統(tǒng)進(jìn)行控制，為控制算法的研究提供了良好的試驗(yàn)平臺(tái)；5、可以在控制過(guò)程中隨時(shí)改變泄水閥門(mén)的狀態(tài)，從而模擬故障的發(fā)生，這也為故障診斷的研究提供了研究對(duì)象和試驗(yàn)平臺(tái)。一、研究背景及意義安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)二、水箱建模與PID整定理論

水箱A水箱BR1Q1R2QiQ0H1H2雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成圖安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)雙容水箱數(shù)學(xué)建模二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成如上圖所示，它是兩個(gè)串聯(lián)在一起的水箱，水首先進(jìn)入水箱A，然后通過(guò)閥R1流入水箱B，再通過(guò)閥R2從水箱B中流出。水流入量Q1由變頻控制泵來(lái)加以調(diào)節(jié)，流出量Q0由用戶需要改變。被控變量為水箱B的水位H2,根據(jù)結(jié)構(gòu)圖可以寫(xiě)出兩個(gè)水箱在任何時(shí)間的物料平衡方程：

水箱A：2-1

水箱B：2-2

其中：，，2-3

，為水箱的截面積，，代表線性化水阻，Q，H和u等均以各個(gè)量的穩(wěn)態(tài)值為起始點(diǎn)。

二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)將式2-3代入式2-1和式2-1，合并整理后得：

2-4，2-5其中：，，從式3-15和式3-16兩式中消去得：

2-6上式顯然是一個(gè)二階微分方程，這是被控對(duì)象兩個(gè)串聯(lián)水箱的反映。2-6轉(zhuǎn)變?yōu)閭鬟f函數(shù)形式為：當(dāng)過(guò)程具有純時(shí)延，則傳遞函數(shù)為：式中為總放大系數(shù)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)PID控制基本原理圖

PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象所組成，而PID控制器則由比例（P）、積分（I）、微分（D）三個(gè)環(huán)節(jié)組成，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的偏差信號(hào)e(t)，并將偏差的比例、積分、微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制。PID控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示：式中u(t)-控制器的輸出；e(t)-控制器的輸入，它是給定值和被控對(duì)象輸出的差，稱為偏差信號(hào)；

-控制器的比例系數(shù)；-控制器的積分時(shí)間；-控制器的微分時(shí)間。二、水箱建模與PID整定理論

二、水箱建模與PID整定理論

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。相比于單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多出了一個(gè)測(cè)量變送器和一個(gè)控制器，在功能上具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)：①能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾②能改善被控對(duì)象特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。③主回路對(duì)副對(duì)象具“魯棒性”，提高了系統(tǒng)的控制精度。為有效控制水箱液位，本設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制系統(tǒng)。三、控制方案設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)框圖安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)三、控制方案設(shè)計(jì)

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)主回路副回路對(duì)象下水箱上水箱被控變量下水箱液位上水箱液位控制規(guī)律PIDP傳遞函數(shù)操縱變量上水箱流入系統(tǒng)的流量積分飽和防止措施外部積分反饋法控制系統(tǒng)方案環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)三、控制方案設(shè)計(jì)

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)主副控制器串聯(lián)在一起，其中任意一個(gè)控制器的參數(shù)發(fā)生變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)均有影響，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù)雜。串級(jí)控制系統(tǒng)中主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)主變量有較高的控制精度要求，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，只要求副變量能快速準(zhǔn)確的跟隨主控器的輸出變化而變化。在工程實(shí)踐中串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。由于逐步逼近法步驟非常繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際中已經(jīng)很少使用，此外為相對(duì)提高控制器參數(shù)的合理性，本設(shè)計(jì)采用應(yīng)用最為廣泛的兩步整定法整定PID參數(shù)。整定控制系統(tǒng)PID參數(shù)

研究了CeO2摻雜量對(duì)PCrNi-4壓電陶瓷相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、壓電及介電性能的影響，分析討論了CeO2摻雜的作用機(jī)理，得到以下結(jié)論：Ce摻雜對(duì)相結(jié)構(gòu)影