双容水箱液位控制北京工业大学.doc

《控制系统设计与试验 成 员： 专 业： 自动化 任课教师： 于建均 完成日期： 2015年6月20日 目 录 1、绪论…………………………………………………………………3 2、课程设计任务………………………………………………………4 3、被控对象的模型及分析……………………………………………4 4、系统控制方案论证…………………………………………………6 5、控制结构与控制器设计步骤………………………………………7 6、实验过程论述………………………………………………………8 7、实验结果及分析……………………………………………………11 8、总结…………………………………………………………………12 9、附录…………………………………………………………………13 绪论 双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统 ，在实际生产中 ，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。 经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。 论文以THBDC-1型控制理论?计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。 一、 双容水箱系统 性能指标要求 衰减率4:1～10:1,超调量Mp10%，调节时间Ts45s，稳态误差 二、被控对象的模型及分析 1双容水箱的数学模型 双容水箱液位控制结构图如下图所示： 图2-3 双容水箱液位控制结构图 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 式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V3和V4的液阻，C1 和C2分别为左水箱和右水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取： 1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)； 图2-4 阶跃响应曲线 2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1； 3）、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1-6中的参数K、T1和T2。其中： 对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32t1/t20.46。当t1/t2=0.32时 ，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18 ） 过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て。 实际测得的阶跃 双容水箱系统数学模型的分析 双容水箱系统的等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统的滞后包括两个部分，一部分是由于传输延时造成的纯滞后，另一部分是有水箱自身的容量滞后。由于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型。 三、系统控制方案论证 1、选用的控制方法：PID控制方法 控制方法简介 PID控制器各控制规律的作用如下： （1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 （2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，