单容水箱液位控制系统设计

单容水箱液位控制系统设计 分类号 密级 UDC 单容水箱液位控制系统设计 学生姓名 xxxxxx 学号 xxxxxxxxxxxx 任课教师 xxxx 院、系、中心 工程学院自动化及测控系 专业年级 xxxx级自动化 提交日期 2013年 10 月 日 中 国 海 洋 大 学 文档历史 序号 说明 编制人 版本号 编制日期 1 文档创建 xx Word2007 2013.10.22 2 水箱建模 xx Word2007 2013.11.10 3 P、I设计及仿真 xx Word2007 2013.11.15 4 PI、PID设计及仿真 xx Word2010 2013.11.23 5 单闭环修改 xx Word2013 2013.12.1 6 串级设计及仿真 xx Word2013 2013.12.11 7 串级设计及仿真 xx Word2013 2013.12.25 8 串级修改 xx Word2013 2013.12.27 9 前馈设计及仿真 xx Word2013 2013.12.28 10 实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 xx Word2013 2013.12.29 11 实验报告 xx Word2013 2013.12.30 12 总结、摘要及参考文献 xx Word2013 2013.12.30 摘 要 单容水箱液位控制系统设计 摘 要 本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，实现对水箱液位的控制。本论文还针对每种控制系统，在Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，并且利用仿真曲线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标IAE等。单闭环控制系统的设计包括P、I、PI和PID的设计。本文分别通过衰减频率特性法(理论整定法)和衰减曲线法(工程整定法)对控制器参数进行了整定。本论文还通过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制可提高系统性能。 关键词: PID;串级;前馈反馈;参数整定;Simulink I Abstract Design on Water Level Control in a Tank Abstract This thesis provides design methods of single closed-loop control system, cascade control system and feed forward control system about the controlled object a single water tank , and it achieves the goal of controlling level. For every kind of control system, simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance of control system, such as the maximum percent overshoot, settling time, attenuation rate and IAE. The design of single closed-loop control system includes designs of P, I, PI and PID. The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All the control design methods included are compared by simulation curves and performance indexes and we finally find that cascade control and feed forward control are able to improve system’s performance. Keywords: PID;Cascade;Feedforward- feedback;Parameter tuning;Simulink II 目 录 目 录 摘 要 ............................................................................................................................ I ABSTRACT........................................................................................................................II 1 设计要求及内容 .....................................................................................................1 2 单容水箱系统建模..................................................................................................3 3 单闭环控制系统设计 ..............................................................................................5 3.1 比例控制系统设计..............................................................................................5 3.2 积分控制系统设计..............................................................................................7 3.3 比例-积分控制系统设计......................................................................................9 3.4 比例-积分-微分控制系统设计 ........................................................................... 12 4 串级控制控制方案设计 ........................................................................................ 16 5 前馈控制方案设计................................................................................................ 18 6 实验室水箱实验报告 ............................................................................................ 19 6.1 压力单闭环实验 ............................................................................................... 19 6.2 液位单闭环实验 ............................................................................................... 20 6.3 上水箱液位和流量组成串级实验....................................................................... 22 6.4 前馈反馈控制实验............................................................................................ 24 7 总结..................................................................................................................... 26 参考文献....................................................................................................................... 27 附录.............................................................................................................................. 28 单容水箱控制系统设计 1 设计要求及内容 图 1 单容水箱液位控制系统 22单容水箱液位控制系统如 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 图 1所示。已知F=1000cm，R=0.03s/cm。 3调节阀为气关式，其静态增益K,28cm/smA ，液位变送器静态增益v K,1mA/cm。 m (1) 画出该系统的传递方框图; (2) 对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解F、R、Kv、Km的物理 意义和量纲的关系。 (3) 采用单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调节器，定义性能指标，对控制 性能进行评价。 (定义哪些性能指标进行评价,) (4) 对PID参数进行整定，工程的方法和理论的方法; (5) 设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。 (6) 结合实物实验撰写实验报告。 说明: 1) 仿真工具采用Matlab 2) 本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，但每个人都要 做设计。 3) 在整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。电子版命名方法为: 学号+姓名.rar 内分2个目录: 1 单容水箱控制系统设计 \document用于存放文档; \simulation用于存放仿真文件; 每次提交的时候，将整个文件夹压缩后电子邮件至limingneu@126.com. 2 单容水箱控制系统设计 2 单容水箱系统建模 单容水箱系统的传递方框图如所示 Q(s)d +R(s)Q(s)H(s)E(s)uΔQ(s)iG(s)G(s)G(s)cvp — Y(s) Gs)m 图 2单容水箱系统的传递方框图 [5] 在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程 dH1 ,，,()QQQ(2-1) idodtF dH1(2-2) ,,Q dtF 其中 Qk,,(2-3) i, H (2-4) Q,oR 2kF为水槽的横截面积，F=1000cm;为决定于阀门特性的系数，可以假定它, RR是常数;是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，可视为常数， 2,R=0.03s/cmQ;为调节阀开度，控制水流入量，由控制器LC控制;Kv为阀门i 静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，所以Kv为“—”， 3K即，可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节;液位变送器K,28cm/smA vv 静态增益Km为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设液位变送器为线性仪表，则 K,1mA/cmQ其可看成是一增益为 的比例环节;为扰动，其值可根据具体情况而md 定。 Q假设扰动为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式(2-1)变为 d 1,，,QQQ0() (2-5) ido000F 3 单容水箱控制系统设计 式(2-5)减式(2-1)得 dH,1 ,,,,()QQ(2-6) iodtF 式(2-6)就是动态平衡方程式(1-1)的增量形式。考虑水位只在其稳态值附 近的小范围内变化，故可得以下近似 1 ,,,QH(2-7) oRH20 于是式(2-6)可化为 dH,11 ,,,,()QH(2-8) idtF2RH0如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得 dH11 (2-9) ,,()QHidtF2RH0Laplace变换得: 11 sHsQHs,,()(())(2-10) iFRH20假设液位的初始值为，代入数据得单容水箱系统的数学模型 Hcm,160 11 sHsQHs,,()(())(2-11) i10002*0.03*16被控对象传递函数为 Hs()0.3 Gs(),,(2-12) pQss()3001， 假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图 Q(s)d +R(s)Q(s)H(s)E(s)uΔQ(s)iK0.3v()Gsc1Ts,3001s,v— Y(s) Km 图 3单容水箱系统传递函数方框图 4 单容水箱控制系统设计 3 单闭环控制系统设计 3 KKT,,,,28cm/s*mA1mA/cm 1s，，假设vmv 3.1 比例控制系统设计 图 4比例控制仿真图 (1)、理论整定方法: 广义被控对象为 ,8.4 GsGsGsGs,,()()()()pvpm'ss，，(1)(3001) [5]令m,,0.2210.75，,，根据频率特性法整定控制器的参数得 ss KM(m,)1,,,ppss',(3-1) ,(m,),,,,,,ps's, 1K,K,由式(3-1)解得则，再由，可得到理论整定值。 pps,Mm(,)'pss [5](2)、工程整定方法:采用衰减曲线法 调整参数，令,,0.75，得系统衰减振荡曲线 5 y1 单容水箱控制系统设计 y1 y1 Ts 图 5系统衰减振荡曲线P=-200 由系统衰减振荡曲线得 y,162,yy,,,,,24.0481=18.061610.74380.75，，12y,161 1TK,,,,,,,,5.082.322.76s2000.005，，,spKp ,由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度、积分时间和微分时间的TTDI 整定值，结果如表 1所示: 表 1衰减曲线法参数整定计算表 整定参数 ,衰减率, TTDI调节规律 P -0.005 0.75 PI -0.006 1.38 PID -0.004 0.828 0.276 (3)、性能指标: 3在t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图1所示。将波形数据通Q,5000cmd ,,,0.005过“To Workspace”输出到Matlab工作区进行计算，可得时，该比例控制 系统的性能指标如下: 衰减率:,,0.7438 最大动态偏差:8.0481 残余偏差:-0.9018 6 单容水箱控制系统设计 调节时间: 6s 绝对误差积分IAE:3.7569 结论:有差控制，对小的干扰由较好的抑制作用，能够在较短的时间内达到新的稳态值。 3.2 积分控制系统设计 (1)、理论整定方法: 广义被控对象为 ,8.4 GsGsGsGs,,()()()()pvpm'ss，，(1)(3001) 令，根据频率特性法整定控制器的参数得 m,,0.2210.75，,ss 2,,1，ms,,S0,M(m,),'pss(3-2) , ,,(m,)arctan,,，m,,'spss,,2 2,1，msS,则由式(3-2)可解得，再由，可得到(积分速度)，进而可,S0s0M(m,),pss' 1计算出积分时间理论整定值。 T,IS0 (2)、性能指标: 积分控制系统仿真框图: 图 6积分控制仿真图I=-1/20 I,,1/20Q,0对积分控制系统进行参数整定:;，得仿真曲线如下图所示。d 由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制，但系统振荡频率低，超调量很大(约为190cm)，调节时间很长(约为5000s)，因此单独使用积分控制，系统性 7 单容水箱控制系统设计 能较差。 图 7积分控制仿真图I=-1/20，Qd=0 3t,5000s在时加入扰动，得仿真曲线:由图可知，系统能抑制阶Q,5000cmd 时间很长。 跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节 3图 8积分控制仿真图I=-1/20，Qd=5000cm 8 单容水箱控制系统设计 3.3 比例-积分控制系统设计 图 9PI控制仿真框图 (1)、理论整定方法: 广义被控对象为 ,8.4 GsGsGsGs,,()()()()pvpm'ss，，(1)(3001)令，根据频率特性法整定控制器的参数得 m,,0.2210.75，,ss 1,，，Smmm,,,,,,，sin(,)cos(,)1''spsps，，,M(m,),ps',(3-3) ,2m(1)，,s,Sm,,sin(,),,0'ps,M(m,),pss', SS以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式(3-3)表示的控制器整定参数,10 ,,0.75之间的关系可以画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一规定的衰减率，s S等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整栋参数。选择一组合适的,、、1 S作为控制器的整定参数。 0 (2)、工程整定方法:衰减曲线法 Q,0,,,,0.006,1.38sT如表1得，扰动，，得仿真曲线如下 Id 9 单容水箱控制系统设计 图 10PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=0 可得 y,162,yy,,,,23.3368=17.615010.7798，，12 y,161 TT,,,,,5.42.43s0.006=1.38s，，,sI (3)、性能指标: 3扰动， ,,,0.006=1.38s，TQ,5000cmId 3图 11PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=5000cm 对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用， T减小积分时间，增大比例增益，加快系统响应速度 I 3,,,0.006=0.01s，T扰动Q,5000cm， Id 10 单容水箱控制系统设计 3图 12PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/0.01，Qd=5000cm 由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为15s，能在较短TI 的时间内接近稳态值 3扰动， ,,,0.003=0.01s，TQ,5000cmId 3图 13PI控制仿真曲线P=-1/0.003，I=-1/0.01，Qd=5000cm ,由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为9s，偏差减小，系统响应加快。 3,,,0.003=0.01s，T对应扰动，的性能指标如下: Q,5000cmId 衰减率:,,0.7798 最大动态偏差:7.3368 11 单容水箱控制系统设计 残余偏差:0 调节时间: 9s 绝对误差积分IAE:3.9498 3.4 比例-积分-微分控制系统设计 图 14PID控制仿真框图 (1)、理论整定方法: 广义被控对象为 ,8.4 GsGsGsGs,,()()()()pvpm'ss，，(1)(3001)令m,,0.2210.75，,，根据频率特性法整定控制器的参数得 ss 1,，，SmmmmS,,,,,,,，，sin(,)cos(,)21''2spspss，，,M(m,),ps', (3-4) ,，，12,SmmS,，,，(1)sin(,),,,,,,0'2sps,M(m,),,,pss'，，, TT/1/4,SS令,，则式(3-4)由三个变量，以为参变量，和分别为横坐DI10 标和纵坐标，式(3-4)表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。图 ,,0.75中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控s 12 单容水箱控制系统设计 制器的一组整定参数。选择一组合适的、、、作为控制器的整定参数。 SSS,102(2)、工程整定方法: 如表1得，，得仿真曲线如下 ,,,,,0.004,0.828s,0.276sTTID 图 15PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=0 可得 y,162,yy,,,,24.7026=18.580110.7035，，12 y,161 TTT,,,,,4.64052.22592.4146s0.004=0.828s=0.276s，，，,sID (3)、性能指标: 3扰动，,,,,,0.004,0.828s,0.276sTT Q,5000cmIDd 3图 16PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=5000cm 13 单容水箱控制系统设计 同比例积分控制，比例积分微分控制对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，减小比例带，增加微分时间，TI 加快系统响应速度。 3扰动， ,,,,,0.004,0.01s,0.276sTTQ,5000cmIDd 3 图 17PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm 由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为10s，能在较短TI 的时间内接近稳态值。 3扰动， ,,,,,0.001,0.01s,0.276sTTQ,5000cmIDd 图 18PID控制仿真曲线P=-1/0.001，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3 ,由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为5s，偏差减小， 14 单容水箱控制系统设计 系统响应加快。 3对应扰动，的性能指标如下: ,,,,,0.001,0.01s,0.276sTTQ,5000cmIDd 衰减率: ,,0.7035 最大动态偏差:24.7026 残余偏差:0 调节时间: 5s 绝对误差积分IAE:2.2275 15 单容水箱控制系统设计 4 串级控制控制方案设计 前面的单闭环控制系统设计，系统调节时间(回复时间)较长，最大动态偏差较大，单闭环控制效果不佳，而且未考虑对象的纯迟延时间。采用串级控制可提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的影响。 下图为串级控制系统仿真框图: 图 19串级控制仿真框图 对主副调节器进行整定: 主调节器整定参数为;主调节器整定参数为PID,,,1,1/0.01,2.3 ;扰动，得串级控制系统仿真如下图所示:Q,0PID,,,,,,1/1.15,1/0.11,4.3d 由仿真图可知控制振荡频率低，衰减慢，系统调节时间长，最大动态偏差大，但无静差。 16 单容水箱控制系统设计 图 20串级控制仿真曲线Qd=0 3t,160s在时加入扰动，仿真结果如下图所示，由图可知，系统能Q,5000cmd 已知阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。 3图 21串级控制仿真曲线Qd=5000cm 17 单容水箱控制系统设计 5 前馈控制方案设计 采用前馈反馈控制可在输出发生变化时，提前做出修正，减小扰动对输出的影响。因此前馈反馈控制可以提高系统性能，减小调节时间，减小最大动态偏差，减小对象纯迟延时间对系统性能的影响。 如图为前馈反馈控制系统仿真方框图: 图 22前馈控制仿真框图 ,,0.1s比值分别为RATIO1=0.9，RATIO2=0.1;延迟时间;PID控制器参数分 3t,20s别为;扰动，在时加入;PID,,,,,,1/0.004,1/0.01,0.276Q,5000cmd 流量变送器等效为增益为1的比例环节;设定值为16cm，得图仿真曲线如附图2所示。将前馈断开，得仿真曲线如附图3所示，系统不稳定。与单闭环相比，引入前馈后，在系统输出发生变化之前，前馈控制提前对扰动做出修正，减小了扰动对输出的影响。因此，前馈控制提高了系统的稳定性，调节时间大大减小(约为2.5s)，最大动态偏差减小(约为1.5cm)， 18 单容水箱控制系统设计 6 实验室水箱实验报告 6.1 压力单闭环实验 6.1.1 实验目的 通过实验掌握压力单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。 6.1.2 实验内容 (1)采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数的有效性; (2)采用调节器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。 调节器的参数设置如下: 参数 说明 Sn=33 1-5V电压输入 Dip=0 小数点位数为0 Dil=0 输入下限显示值 Dih=100 输入上限显示值 Opl=4 输出4-20mA电流 CF=2 调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入 Run=1 自动调节，允许手动设置 6.1.3 实验仪器 PCT-II型过程控制系统实验台 6.1.4 实验步骤 压力单闭环控制系统框图: 19 单容水箱控制系统设计 变频器水泵调节器 - 、压力变 送器 图 23压力单闭环系统控制框图 (1) 连接实验导线，将阀门V7，V10打开; (2) 接通总电源，各仪表电源。将PCT-II面板上的双掷开关掷到外控端; (3) 整定参数值的计算值; (4) 将计算所得的PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰动 信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止; (5) 曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理。 (6) 采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理。 6.1.5 实验结果 本实验所用调节器为808模糊控制器(手动/自动输出)，其给定值为818PID控制器(手动/自动输出)的输出。将808模糊控制器的设定值设置为某一值，再令CtrL=2，系统进入自整定状态，几秒钟后，测量值稳定在控制器的设定值上。 6.2 液位单闭环实验 6.2.1 实验目的 通过实验掌握液位单回路控制系统的构成。学生可自行设计，构成单回路压力控制系统，学会可自行设计、临界比例度法、阶跃响应曲线法和整定单回路控制系统的PID参数，熟悉PID参数对控制系统质量指标的影响，用调节器仪表进行PID参数的自整定和自动控制的投运。 6.2.2 实验内容 (1)采用采用阶跃响应法、临界比例度法、衰减曲线法整定PID参数，并验证参数的有效性; (2)采用调节器自整定方法整定PID参数，并验证其有效性。 调节器的参数设置如下: 参数 说明 20 单容水箱控制系统设计 DF=3 回差值 Sn=33 1-5V电压输入 Dip=0 小数点位数为0 Dil=0 输入下限显示值 Dih=450 输入上限显示值 Opl=4 输出4-20mA电流 CF=2 调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入 Run=1 自动调节，允许手动设置 6.2.3 实验仪器 PCT-II型过程控制系统实验台 6.2.4 实验步骤 液位单闭环控制系统框图: 调节阀水箱调节器 液位变 送器 图 24液位单闭环系统控制框图 (1) 连接实验导线 (2) 使水泵工作在恒压供水状态 (3) 接通总电源和仪表电源 (4) 将阀门V2、V10、V7打开，其余阀门关闭 (5) 整定参数值的计算 (6) 将计算所得的PID参数值置于控制器中，系统投入闭环运行。加入扰动 信号观察各被测量的变化，直至过渡过程曲线符合要求为止 (7) 曲线的分析处理，对实验的记录曲线分别进行分析和处理 (8) 采用调节器自整定功能整定参数，记录实验曲线并进行分析处理 6.2.5 实验结果 818PID控制器为液位单闭环的调节器，808模糊控制器为压力单闭环的调节器。 液位单闭环818PID控制器的输出为压力单闭环的设定值，当其输出值发生变化时， 21 单容水箱控制系统设计 相当于给压力单闭环一个扰动。令808的CtrL=2，在控制阀开度变化时，其测量值仍能很快地跟随其设定值。 设置818PID控制器的P、I、D值，刚开始时，系统超调量较大，达到80%左右，振荡频率低，调节时间很长。为此，需修改P、I、D值，改善系统性能，减小比例带P，减小积分时间I，增大微分时间D。经过多次调整，最终系统性能达到了较好的状态。 6.3 上水箱液位和流量组成串级实验 6.3.1 实验目的 通过实验掌握串级控制系统的基本概念;掌握串级控制系统的结构组成;掌握串级控制系统的特点;掌握串级控制主、副回路的选择;掌握串级控制系统参数整定;掌握串级控制系统参数投运方法;了解串级控制系统对进入副回路和主回路扰动的克服能力。 6.3.2 实验内容 (1) 设计串级控制系统的方案 (2) 设计串级控制的主、副控制器 (3) 串级控制系统参数整定 (4) 抗干扰试验，分别将干扰加于主回路和副回路，观察并记录控制效果， 并进行分析 5) 对比实验，于单回路液位控制系统的控制效果进行对比 ( 调节器的参数设置如下: 主调节器参数 说明 副调节器参数 说明 DF=3 回差值 DF=3 回差值 Sn=33 1-5V电压输入 Sn=32 1-5V电压输入 Dip=0 小数点位数为0 Dip=0 小数点位数为0 Dil=0 输入下限显示值 Dil=0 输入下限显示值 Dih=450 输入上限显示值 Dih=100 输入上限显示值 Opl=4 输出4-20mA电流 Opl=4 输出4-20mA电流 调节器反作用、有上 调节器反作用、有上电 CF=2 电免除报警功能、无 CF=8 免除报警功能、无外部 外部输入 输入 Run=1 自动调节，允许 Run=2 自动调节，禁止 22 单容水箱控制系统设计 手动设置 手动设置 6.3.3 实验仪器 PCT-II型过程控制系统实验台 6.3.4 实验步骤 串级控制系统方框图: 流量扰动主参数设定 流量主调副调调节阀水箱对象节器节器 主参数 流量变送器副参数 液位变送器 图 25串级控制系统方框图 (1) 选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量 (2) 选择主被控参数、副被控参数、打开手动阀门V2、V7、V10 (3) 选择主副控制器，在恒压供水条件下工作，按事先设计的实验接线图将 实验导线接好 (4) 实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。待系统稳定后再整定主回 路液位系统，最后串在一起整定 (5) 待系统稳定后，上水箱液位加个给定，观察计算机上流量和液位的曲线 的变化，并保存此曲线 (6) 系统稳定后，分别在主副回路加个干扰信号，然后观察计算机上历史曲 线的变化 6.3.5 实验结果 与液位单闭环控制系统相比较，串级控制系统对流量扰动的抑制大大增强，使其对主参数的影响大大减小。因而串级系统的调节时间(回复时间)减少，最大动态偏差减少。 控制性能分析: (A)由于副回路的快速作用，可迅速克服进入副回路的干扰，故选用PI作用可以进行有效的调节 23 单容水箱控制系统设计 (B)引入副回路减小了副对象的相位滞后，从而改善了主回路的响应速度， 这对克服进入主副回路的干扰都是有利的 (C)串级控制系统改善了系统的鲁棒性 (D)副回路可按主回路的要求对副变量进行精确的控制 (E)由于该串级系统有较大的滞后，故可以采用PID作用进行有效的调节 6.4 前馈反馈控制实验 6.4.1 实验目的 通过设计前馈反馈控制系统实现高精度的液位控制，掌握前馈反馈控制系统的 结构组成，前馈量的选择，控制参数的整定等方法。 6.4.2 实验内容 (1) 用实验的方法测试液位和流量的动态特性 (2) 确定扰动通道的传递函数、对象控制通道的传递函数 (3) 用比值器实现静态前馈、前馈反馈的控制系统 (4) 整定前馈反馈控制系统参数 (5) 分析简单控制系统与前馈反馈控制系统控制质量 调节器的参数设置如下: 反馈调节器参数 说明 DF=3 回差值 Sn=33 1-5V电压输入 Dip=0 小数点位数为0 Dil=0 输入下限显示值 Dih=100 输入上限显示值 Opl=4 输出4-20mA电流 CF=2 调节器反作用、有上电免除报警功能、无外部输入 Run=1 自动调节，允许手动设置 6.4.3 实验仪器 PCT-II型过程控制系统实验台 6.4.4 实验内容 前馈反馈控制系统方框图: 24 单容水箱控制系统设计 流量变送器 流量扰动 流量水箱调节阀调节器比例器对象 主参数 液位变送器 图 26前馈反馈控制系统方框图 (1) 设计控制方案 (2) 计算比值系数 (3) 完成恒压供水系统接线 (4) 完成比值控制系统接线 (5) 将阀门V2、V3、V9、V10、V7打开，其余阀门关闭 (6) 接通总电源和各仪表电源 (7) 调节PCT-II面板上电位器K1可改变主副流量的比值，比值的范围是 0.1~1倍 (8) 控制系统的参数整定，控制器的参数整定可按单回路或串级控制系统的 整定方法进行。由于流量变化速度快，调节器不能整定出比较合理的参 数，需根据曲线来人工调整 (9) 系统稳定后，改变主回路流量的大小，观察副回路流量的变化 (10) 观察计算机上历史曲线的变化，记录并处理历史曲线 (11) 改变比例器的比例系数，观察流量的变化 6.4.5 实验结果 与液位单闭环相比较，前馈反馈控制系统调节时间(回复时间)减少，最大动 态偏差减少。 控制性能分析: A.从前馈控制的角度，由于反馈，减轻了对前馈控制模型的精度要求，并可对 未作前馈补偿的干扰进行校正; B(从反馈的角度，前馈控制事先起了一个粗调的作用，大大的减少了反馈的 负担。 25 单容水箱控制系统设计 7 总结 经过为期将近一个学期的设计，过程控制系统的这份大作业——单容水箱液位控制系统设计，终于将要画上句号了。通过做这份作业，我们能够将课本上的知识加以更好地加以消化和巩固，将理论和实际相结合。通过计算机仿真，我们对抽象的过程控制理论知识有了直观的认识和理解。 通过这次作业，我掌握了简单控制系统的建模过程和方法，掌握了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的特点及应用场合，掌握了运用频率特性法和衰减曲线法整定PID控制器的参数。单闭环的控制性能较差，超调量大，调节时间长，但实现起来简单，PID参数整定较简单;串级控制的控制性能比单闭环好，能够减小超调量，减小调节时间，能够快速的抑制内环内的扰动，提高系统的抗干扰能力，但串级系统参数整定较复杂;前馈反馈控制的控制性能也比单闭环好，能够在扰动影响系统输出之前对调节器的输出做出修正，减小扰动对输出的影响。 当然，我所设计的控制系统还存在许多问题，例如串级控制系统的参数整定的不好，系统衰减太慢，超调较大，调节时间很长，还没有找到一组合适的主副控制器参数;积分控制器的参数整定的不好，超调很大，振荡周期很长，调节时间很长，控制效果不好。 26 单容水箱控制系统设计 参考文献 [1] 王子才. 控制系统设计 手册 华为质量管理手册 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[4] Shinskey F G著，萧德云等译. 过程控制系统——应用、设计、整定. 第三版. 北 京:清华大学出版社，2004 [5] 黄德先等. 过程控制系统. 北京:清华大学出版社，2011 [6] 蒋慰孙，俞金寿. 过程控制工程. 第二版. 北京:中石化出版社，2004 [7] 黄德先等. 化工过程先进控制. 北京:化学工业出版社，2006 [8] Luyben W L. Design and control degrees of freedom. Industrial & Engineering Chemistry Research，1994,49(13):2089~2095 [9] Newell R B and Lee P L. Applied process control. Brookvale，NSW，Australia: Prentice-Hall of Australia，1989 [10] Hougen J O. Measurement and control applications. Secend ed. NC:ISA，Research Triangle Park，1979 27 单容水箱控制系统设计 附录 仿真程序图 3附图 1比例控制仿真图P=-200 ，Qd=-5000cm 附图 2前馈控制仿真曲线 28 单容水箱控制系统设计 附图 3前馈断开系统仿真曲线 29