双容水箱液位控制结题研究报告.docVIP

自动控制系统课程设计 双容水箱系统 ——结题报告 学校：北京工业大学 学院：电控学院 专业：自动化 班级： 组号：第五组 组员： 实验日期： 指导教师： 目录 一、课程设计任务 2 二、被控对象的模型及分析 2 三、系统控制方案论证 5 四、控制结构与控制器设计步骤 6 五、实验过程论述 8 六、实验结果及分析 10 七、总结 10 八、附录 11 一、课程设计任务 课程设计目的 （1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。 （2）掌握基于MATLAB的系统仿真方法 （3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法 (4) 掌握基于物理对象的控制系统的调试方法 （5）培养编制技术总结报告的能力。 2、被控对象: 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。 下图为我们组建立的数学模型： 双容传函： 单容传函： 总传函： 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，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 初步采取的方案: 副回路：比例控制PID 主回路：比例积分控制PID 四、控制结构与控制器设计步骤 1、控制结构：串级控制系统 2、控制器的设计：逐步逼近法 逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。 具体步骤为： 先断开主回路，整定副控制器。后闭合主回路，整定主控制器。 重新调整副控制器参数。若未达到控制要求，再调整主控制器参数。以上3、4步骤循环进行，直到满足控制指标为止。对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。 仿真及PID参数调节： 副回路整定参数：P：35 I：1.2 D：15 技术指标：Mp=5%