水箱液位控制課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　根據(jù)課程設(shè)計(jì)要求，本組成員在2012年5月14日至20日期間，在冶金館四樓的工業(yè)流程自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了為期一周的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)，我們組選擇的基本題目是單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高部分為單容水箱的串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及雙容水箱解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過整整一周的實(shí)驗(yàn)后，我們

2、組在完成了本次課程設(shè)計(jì)的基本題目，即單容水箱液位 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，繼續(xù)完成了串級(jí)控制系統(tǒng)，并取得了不錯(cuò)的控制效果。</p><p>　　本文詳細(xì)記錄了一周內(nèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、結(jié)論。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)儲(chǔ)備的不足，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中遇到了很多意料之外的問題，最后通過認(rèn)真分析、查閱資料及咨詢老師學(xué)長(zhǎng)，也都有了相應(yīng)的解決方案。對(duì)此，本文也做了相應(yīng)的總結(jié)。</p><p>　　全文一共分為介紹部分的序章

3、及實(shí)驗(yàn)部分的四章總結(jié)部分一章。其中，序章主要介紹了此次課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，第一章介紹了檢測(cè)儀表的標(biāo)定與調(diào)試及執(zhí)行器的特性測(cè)試；第二章介紹了二號(hào)水箱被控對(duì)象模型的建立；第三章主要介紹了單容水箱單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；第四章主要介紹了單容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，第三章是基本的實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容，第四章的串級(jí)控制是提高部分內(nèi)容。最后，本文總結(jié)了本次課程設(shè)計(jì)的體會(huì)與收獲。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)過程，得到了王良勇、

4、潘全科老師及呂閣學(xué)長(zhǎng)的耐心指導(dǎo)和幫助，在此一并深表感謝！</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、序章</b></p><p><b>　　1.1 系統(tǒng)描述</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)使用多功能過程控制科研教學(xué)裝置，它主要包括上位機(jī)監(jiān)控

5、軟件平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)兩部分，液位的給定由上位機(jī)監(jiān)控軟件給出，通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接布脚_(tái)的實(shí)驗(yàn)控制器中，實(shí)際液位信號(hào)經(jīng)過液位傳感器進(jìn)行測(cè)量反饋，控制器根據(jù)給定高度和實(shí)際高度的誤差產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)水泵進(jìn)行控制。</p><p><b>　　1.2 硬件平臺(tái)</b></p><p>　　單容水箱液位系統(tǒng)硬件平臺(tái)即多功能過程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖所示：</p>

6、<p>　　多功能過程控制平臺(tái)具有嵌入式專用控制器，手控盒，四個(gè)溫度傳感器，三個(gè)流量傳感器，兩個(gè)液位傳感器，一個(gè)壓力傳感器，兩個(gè)過程水箱，兩個(gè)水泵，一個(gè)比例閥門，一個(gè)加熱水箱，一個(gè)蓄水箱和加熱器以及散熱器和攪拌器等。多功能過程控制平臺(tái)可以進(jìn)行從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多種實(shí)驗(yàn)，包括多種溫度控制、壓力控制、液位控制和流量控制的實(shí)驗(yàn)，并且有很強(qiáng)的易用性。它具有以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程控制。而且，內(nèi)部的嵌入式專用控制器和MATL

7、AB軟件具有無縫接口，可以在Simulink中搭建算法模型，編譯鏈接形成控制器可讀的文件（.dlm）并下載到控制器中實(shí)時(shí)運(yùn)行，不需要底層代碼的編寫，從而大大提高了工作效率。</p><p>　　這里對(duì)單容水箱液位系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)的特性予以簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　檢測(cè)機(jī)構(gòu)：Honeywell的26PC型壓差傳感器 </p><p&

8、gt;　　壓差型傳感器通過一定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或按規(guī)定安裝，把壓力前后相差的變轉(zhuǎn)換傳感器內(nèi)置壓敏原件的變化，再把由壓敏元件形變產(chǎn)生的微弱輸出信號(hào)進(jìn)行處理調(diào)制或通過數(shù)模轉(zhuǎn)換和芯片運(yùn)算處理，輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)使用Honeywell的26PC型壓差傳感器作為液位傳感器，根據(jù)水箱內(nèi)水的上下表面壓力差進(jìn)行折算得到相應(yīng)的液位從而進(jìn)行反饋。26PC差壓傳感器的壓力范圍是1psi，量程14.7mV 1

9、8.7mV，靈敏度為16.7mV/psi，最大過壓為20psi。</p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)：TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合離心泵</p><p>　　離心泵之所以能把水送出去是由于離心力的作用。在工作前，水泵和進(jìn)水管必須灌滿水形成真空狀態(tài)，當(dāng)葉輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片促使水快速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)著的水在離心力的作用下從葉輪中飛出，泵內(nèi)的水被拋出后，葉輪中心部分形成真空區(qū)域。水在大氣壓力

10、或水壓的作用下，通過水管壓到了進(jìn)水管內(nèi)，這樣循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽水。需要注意的是，離心泵啟動(dòng)前一定要向泵殼內(nèi)充滿水后，方可啟動(dòng)，否則水泵產(chǎn)生“空轉(zhuǎn)”，產(chǎn)生震動(dòng)、造成泵體發(fā)熱，無水流出，對(duì)水泵造成損壞。</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)使用TOTTON PUMPS的DC15/5型水泵，其采用磁耦合設(shè)計(jì)，能夠防止漏液，輸入電壓為12V DC，最大體壓1.4bar，最大容積15L/min，最大水泵揚(yáng)程為6m，電機(jī)輸出功率25

11、W，工作溫度-20度~+85度。</p><p>　　1.3 上位機(jī)監(jiān)控軟件平臺(tái)</p><p>　　上位機(jī)監(jiān)控軟件主要包括兩部分：用于編寫控制程序的MATLAB中的simulink軟件包和用于監(jiān)控作用的EasyControl系列實(shí)驗(yàn)軟件。</p><p>　?。?）Simulink軟件包</p><p>　　Simulink軟件包是Math

12、 Works公司開發(fā)的系統(tǒng)仿真軟件。Simlink提供了強(qiáng)大的可視化建模功能，可以拖拉軟件包提供的模塊的方式，快速的建立系統(tǒng)的模型，病對(duì)搭建的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。Simulink可以與MATLAB無縫連接，所有仿真數(shù)據(jù)可以在MATLAB工作空間中顯示并調(diào)用，突出了MATLAB分析運(yùn)算的功能，可使得系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的分析更加直觀，更加準(zhǔn)確。而且，Simlink中的模塊不僅具有仿真能力的模塊，還能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真操作，并生成代碼進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多功能

13、模塊。這樣就直接解決了傳統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)方法帶來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真和系統(tǒng)顯示互相分離的問題，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率，方便了開發(fā)人員的操作。</p><p>　?。?）EasyControl實(shí)驗(yàn)軟件介紹</p><p>　　EasyControl系列實(shí)驗(yàn)軟件由東大智能公司自主研發(fā)的。該軟件的特點(diǎn)是可以通過MATLAB軟件的Simulink工具包完成控制器的搭建，并快速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)代碼的自動(dòng)產(chǎn)生，使設(shè)計(jì)和改

14、變參數(shù)更加方便、快速，便于反復(fù)實(shí)驗(yàn)。此外，EasyControl軟件不但可以實(shí)時(shí)的觀察系統(tǒng)運(yùn)行曲線，并可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行保存和讀取，極大地方便了調(diào)試工作，提高了效率。</p><p>　　EasyControl軟件具有如下的特點(diǎn)：</p><p>　?。?）用于開放式結(jié)構(gòu)的快速控制原型開發(fā)、硬件樣機(jī)在線測(cè)試，可以有效地縮短開發(fā)周期，保證系統(tǒng)柔性；</p><p>　?。?/p>

15、2）由于可以采用實(shí)時(shí)在線測(cè)試，應(yīng)用于難以精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，可以降低建模和控制器的設(shè)計(jì)難度；</p><p>　?。?）與MATLAB系統(tǒng)的無縫集成，便于開發(fā)者使用MATLAB中的各種先進(jìn)算法；</p><p>　?。?）該軟件通過與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的集成性，可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制，遠(yuǎn)程設(shè)置控制方案，便于調(diào)試和升級(jí)。</p><p>　　二、傳感器及執(zhí)行器參數(shù)整定<

16、/p><p>　　2.1 壓差傳感器的參數(shù)整定</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中需要整定二號(hào)水箱液位傳感器的參數(shù)。液位傳感器采用壓差式液位傳感器，輸入量為壓差傳感器測(cè)定值（單位mv），輸出量應(yīng)為水箱實(shí)際液位（單位cm）。其輸入輸出為線性關(guān)系：</p><p>　　通過實(shí)驗(yàn)對(duì)，進(jìn)行整定。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉二號(hào)水箱的出水閥門，手動(dòng)給水箱加水

17、，通過simulink編程，且輸出端加濾波，可以得到不同水位時(shí)壓差傳感器輸出的電壓值，程序如圖1-1所示：</p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1.1所示：</p><p>　　由最小二乘法擬合，擬合曲線如圖1-2所示：</p><p>　　x=[1.65 1.51 1.36 1.22 1.148 1.075 1.0 0.92 0.85 0.776 0.703 0.63

18、0 0.555 0.475 0.400 0.325];</p><p>　　>> y=[18 16 14 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0];</p><p>　　>> f=inline('a(1)*x+a(2)','a','x');</p><p>　　>>

19、 [xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1],x,y)</p><p>　　Optimization terminated: first-order optimality less than OPTIONS.TolFun,</p><p>　　and no negative/zero curvature detected in trust region model.</

20、p><p><b>　　xx =</b></p><p>　　13.5602 -4.4962</p><p><b>　　res =</b></p><p><b>　　0.0588</b></p><p>　　>> y1=13.5602*x

21、-4.4962;</p><p>　　>> plot(x,y);hold on;plot(x,y1)</p><p><b>　　>> </b></p><p>　　通過最小二乘法擬合得到：</p><p>　　k=13.5602 b=-4.4962</p><p>　

22、　故二號(hào)水箱壓差式液位傳感器輸入輸出關(guān)系為：</p><p>　　2.2水泵占空比到流量的參數(shù)整定</p><p>　　水泵占空比到電壓為比例關(guān)系。電壓到流量為一階慣性環(huán)節(jié)，由于電機(jī)慣性較小，可以近似為比例環(huán)節(jié)。于是，水泵占空比到流量可近似認(rèn)為是比例關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)水泵占空比到流量的比例系數(shù)進(jìn)行整定。</p><p>　　打開二號(hào)水箱進(jìn)水出水閥門，應(yīng)用simulin

23、k編程如圖1-4所示：</p><p>　　圖1-4所示水泵占空比到流量整定程序</p><p>　　通過給定不同的占空比時(shí)流量傳感器測(cè)得的流量，可以得到占空比與流量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.2所示。</p><p>　　表1.2 占空比到流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)</p><p>　　由最小二乘發(fā)擬合，擬合曲線如圖1-5所示</p><

24、p>　　x=[0.35 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66];</p><p>　　>> y=[0.85 1.45 1.6 1.8 1.95 2.12 2.3 2.44 2.57 2.75 2.9 3.08 3.24 3.37 3.5];</p><p>　　>&

25、gt; f=inline('a(1)*x+a(2)','a','x');</p><p>　　>> [xx,res]=lsqcurvefit(f,[1,1],x,y)</p><p>　　Optimization terminated: first-order optimality less than OPTIONS.TolFun

26、,</p><p>　　and no negative/zero curvature detected in trust region model.</p><p><b>　　xx =</b></p><p>　　8.2625 -1.8853</p><p><b>　　res =</b>&l

27、t;/p><p><b>　　0.0405</b></p><p>　　>> y1=8.2625*x-1.8853;</p><p>　　>> plot(x,y);hold on;plot(x,y1)</p><p>　　通過最小二乘法擬合得到：</p><p>　　k= 8.

28、2625 b=-1.8853</p><p>　　故水泵占空比到流量輸入輸出關(guān)系為：</p><p>　　2.3 流量傳感器參數(shù)整定</p><p>　　實(shí)驗(yàn)用流量傳感器為GEMS流量傳感器，通過累計(jì)流過液體體積的脈沖信號(hào)，計(jì)算得到液體流量，傳感器單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖值經(jīng)過轉(zhuǎn)換可以得到液體的流量值。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖值為n，n 7.5/575即是單位時(shí)間內(nèi)液

29、體的流量（L/min），由simulink編程，且在輸出處增加濾波器減少紋波，程序如圖1-3所示：</p><p>　　三、被控對(duì)象模型建立 </p><p>　　被控過程的數(shù)學(xué)模型（動(dòng)態(tài)特性），是指過程在各輸入量（包括控制量與擾動(dòng)量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。建模的基本方法包括：一、機(jī)理分析方法建模 。二、試驗(yàn)建模，即建立輸入輸出模型，根據(jù)輸入和輸出的實(shí)測(cè)

30、數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。三、混合建模方法，把過程機(jī)理和輸入輸出數(shù)據(jù)結(jié)合建模的方法。</p><p>　　在建模的過程中我們采用了機(jī)理建模法與階躍響應(yīng)曲線法兩種建模方法對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行建模。</p><p>　　3.1機(jī)理建模的建立</p><p>　　3.1.1機(jī)理建模方法</p><p>　　機(jī)理分析方法建模，即根據(jù)過程的內(nèi)部機(jī)理（

31、運(yùn)動(dòng)規(guī)律），運(yùn)用一些已知的定律、原理，如：物料平衡方程，能量平衡方程、傳熱傳質(zhì)原理等，建立過程的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　3.1.2被控對(duì)象模型建立</p><p>　　對(duì)單容水箱進(jìn)行模型的建立，通過分析我們可以得知，要想維持水箱內(nèi)液位的穩(wěn)定，就要使水箱的進(jìn)水量與出水量達(dá)到平衡。根據(jù)這一原則，我們有：</p><p><b>　　輸入：進(jìn)水量為<

32、;/b></p><p><b>　　輸出：水箱液位h</b></p><p>　　某一時(shí)刻，單容水箱的入水量與出水量的差值即為水箱內(nèi)儲(chǔ)水量的變化。</p><p>　　假設(shè)q1為入水流量q2為出水流量，A為水箱橫截面積，h為液位，根據(jù)物料平衡原理，</p><p><b>　　(1) </b&

33、gt;</p><p>　　由流體力學(xué)可知，流體在紊亂情況下，液位與流量之間的非線性關(guān)系如下，其中k為泄水閥流量系數(shù)：</p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　將式（2）帶入（1）得到被控對(duì)象模型： </p><p><b>　　(3)</b></p><

34、;p>　　由式(3)可知系統(tǒng)具有非線性，令 則 在平衡點(diǎn)( )處進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開，并忽略高階項(xiàng)得到： </p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　由此，</b></p><p>　　取 ，，液位穩(wěn)定時(shí)，因此 其中由此得：</p><p>　　進(jìn)行拉普拉斯變換，整理得

35、到：</p><p>　　通過分析，我們可以知道水箱的模型可以簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)，這樣我們就可以將非線性的系統(tǒng)近似線性化，并通過實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)的參數(shù)</p><p>　　定義液阻R，表示產(chǎn)生單位流量變化所必須的液位差的變化量，即 </p><p>　　由式（2）可以得到：</p><p><b>　　因此：</b><

36、/p><p>　　平衡點(diǎn)處液位穩(wěn)定，輸入流量等于輸出流量，即 ，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定， ，h=8cm，帶入式得R=0.436/(cm2*s)。</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)辨識(shí)相關(guān)系數(shù)k1 =8.2625</p><p><b>　　水箱截面積的計(jì)算：</b></p><p><b>　　測(cè)得水箱的直徑為</b>

37、;</p><p><b>　　A=，代入得</b></p><p>　　到單容水箱傳遞函數(shù)為</p><p>　　這就是被控對(duì)象的機(jī)理模型。</p><p>　　3.2實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?lt;/p><p>　　3.2.1階躍響應(yīng)辨識(shí)模型參數(shù)</p><p>　　經(jīng)典的參數(shù)辨識(shí)的

38、方法包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng)法等。單容水箱的液位控制器設(shè)計(jì)模型可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)，對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 ，其中K為開環(huán)增益，T為過程時(shí)間常數(shù)，建立控制器設(shè)計(jì)模型需要對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。階躍響應(yīng)辨識(shí)方法根據(jù)觀察階躍響應(yīng)曲線得到系統(tǒng)參數(shù)K與T。</p><p>　　3.2.2被控對(duì)象模型組成分析</p><p>　　被控對(duì)象模型是從水泵PWM占空比到液位的過程，包

39、括三部分：PWM到電機(jī)給定電壓U，U到入水流量 及 到液位h三個(gè)過程。</p><p>　　水泵PWM占空比到入水流量q1的模型 </p><p>　　此環(huán)節(jié)近似為一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：</p><p>　　辨識(shí)時(shí)用到的simulink程序如圖2-1</p><p><b>　　子模塊：</b></p>

40、<p><b>　　圖2-1</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先給一個(gè)40%的占空比，此時(shí)流量穩(wěn)定在1.54L/min,給占空比一個(gè)階躍變化，占空比變?yōu)?0%，此時(shí)流量穩(wěn)定在2.5L/min.階躍曲線如圖：</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　記錄到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的時(shí)

41、間值值作為時(shí)間常數(shù)</p><p><b>　　放大系數(shù)：</b></p><p><b>　　時(shí)間常數(shù)： </b></p><p><b>　　此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：</b></p><p>　　入水流量q1到液位h的模型 </p><p>　　入水流量到

42、液位的過程在平衡點(diǎn)處近似為一階慣性環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　辨識(shí)時(shí)用到的simulink程序如圖2-3</p><p>　　實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先給一個(gè)2.1L/min的流量，此時(shí)液位穩(wěn)定在,給流量一個(gè)階躍變化，占空比變?yōu)?.5L/min，此時(shí)液位穩(wěn)定在16cm.階躍曲線如圖：</p><p>　　記錄到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的0.632倍的時(shí)間值值作為時(shí)間常數(shù)</p

43、><p><b>　　放大系數(shù)：</b></p><p><b>　　時(shí)間常數(shù)： </b></p><p><b>　　此環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)：</b></p><p>　　四、單回路液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　4.1控制目標(biāo)&l

44、t;/b></p><p>　　設(shè)計(jì)的單回路液位控制控制系統(tǒng)，應(yīng)達(dá)到以下控制目標(biāo)：</p><p>　　具有良好的靜態(tài)特性：穩(wěn)定時(shí)液位保持在8cm處，且無穩(wěn)態(tài)誤差</p><p>　　具有良好的動(dòng)態(tài)特性：超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。</p><p>　　具有良好的跟隨特性。</p><p>　　具有良好的抗干擾性能:

45、能夠通過調(diào)節(jié)消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響</p><p>　　4.2單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　控制系統(tǒng)采用PID控制器，為了保持液位穩(wěn)定，引入液位閉環(huán)負(fù)反饋。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：</p><p><b>　　4.3控制器設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.3.1控制器參數(shù)整定方法</p>&l

46、t;p>　　采用PI控制器進(jìn)行液位控制。PI控制器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　利用直接綜合法設(shè)計(jì)PI控制器。直接綜合法就是利用期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)來設(shè)計(jì)PID控制器的一種方法。單容水箱液位控制系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示：</p><p>　　系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：</p><p>　　其中W0(s)為實(shí)際被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ，整理

47、得：</p><p>　　4.3.2 PID參數(shù)整定</p><p>　　水泵PWM占空比到流量的模型傳遞函數(shù)為:</p><p>　　入水流量到液位的傳遞函數(shù)為： </p><p>　　由于 時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于 時(shí)間常數(shù)，故水泵PWM占空比到流量可近似為比例環(huán)節(jié)，由此得到單回路單容水箱被控對(duì)象的控制器設(shè)計(jì)模型為：</p>

48、<p>　　為了得到較快且穩(wěn)定的液位動(dòng)態(tài)響應(yīng)，選定期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:</p><p>　　理論上閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)閉環(huán)極點(diǎn)在負(fù)實(shí)軸，因此閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。再利用前面階躍辨識(shí)近似后得到的數(shù)學(xué)模型，用直接綜合法求得：</p><p><b>　　于是得到：</b></p><p>　　4.4單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)</p>&

49、lt;p>　　4.4.1單回路控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)</p><p>　　根據(jù)兩個(gè)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)得出的被控對(duì)象模型及整定的PID參數(shù)，搭建仿真程序如圖3-4，其參數(shù)設(shè)置與機(jī)理模型參數(shù)一致。</p><p>　　從仿真結(jié)果可以看出：</p><p>　　單回路系統(tǒng)沒有超調(diào)量</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間在230s左右穩(wěn)定，且無穩(wěn)態(tài)誤差</p&g

50、t;<p>　　4.4.2單回路控制系統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)</p><p>　　搭建simulink程序如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 單回路控制系統(tǒng)程序</p><p>　　在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行試湊調(diào)整，以得到最佳控制效果。試湊整定后得到：</p><p><b>　　=21，=0.08</

51、b></p><p>　　實(shí)際控制結(jié)果如圖3-7所示：</p><p>　　圖3-7 單回路控制結(jié)果</p><p>　　從單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論如下：</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)幾乎沒有超調(diào)，仿真結(jié)果一致。</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間較短，為20s左右。</p><p&

52、gt;<b>　　無穩(wěn)態(tài)誤差。</b></p><p>　　4.4.3單回路控制系統(tǒng)跟隨實(shí)驗(yàn)</p><p>　　對(duì)上述控制系統(tǒng)，待液位穩(wěn)定后，目標(biāo)值由8cm改為10cm，實(shí)驗(yàn)控制效果如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 單回路跟隨實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果</p><p>　　從跟隨實(shí)驗(yàn)可以看出，單回路系統(tǒng)具有較好的跟隨特

53、性。</p><p>　　4.4.5單回路控制系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn)</p><p>　　實(shí)驗(yàn)過程對(duì)單回路控制系統(tǒng)在：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后在140s時(shí)給水泵一個(gè)干擾，當(dāng)系統(tǒng)再次達(dá)到穩(wěn)定后在250s時(shí)再給水箱連通閥一個(gè)擾動(dòng)</p><p>　　由圖示信號(hào)分析可知，單回路的抗干擾能力不夠強(qiáng)，當(dāng)有擾動(dòng)作用于穩(wěn)定系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的波動(dòng)比較大，且短時(shí)間不能恢復(fù)到設(shè)定值。</p>

54、<p>　　4.5 單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方案</p><p>　　問題：按計(jì)算出的PID參數(shù)進(jìn)行控制時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差較大，控制效果不佳</p><p>　　原因分析：可能是因?yàn)橥ㄟ^辨識(shí)得到的被控對(duì)象模型不準(zhǔn)確</p><p>　　解決方案：通過在線調(diào)參，加大 值，適當(dāng)調(diào)節(jié)，最終整定Kp=21，Ki=0.08。</p><p&g

55、t;<b>　　4.6總結(jié)</b></p><p>　　通過上述單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)節(jié)時(shí)間較短（25s左右），且沒有超調(diào)量。</p><p>　　單回路系統(tǒng)具有跟隨給定的特性。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)具有抗干擾性能，但效果不太理

56、想，調(diào)節(jié)時(shí)間偏長(zhǎng)。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整。</p><p>　　在對(duì)系統(tǒng)抗干擾性要求不高的情況下，采用PID控制器的單回路閉環(huán)系統(tǒng)是可以滿足需要的。</p><p>　　五、串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　5.1 控制目標(biāo)</b></p><p>

57、　　串級(jí)控制比單回路控制具有更好的抗干擾性能，特別是對(duì)副回路的擾動(dòng)能及時(shí)消除，這也是考慮設(shè)計(jì)串級(jí)控制的主要原因。</p><p>　　水箱串級(jí)控制的目標(biāo)為：</p><p>　　具有良好的靜態(tài)特性：液位穩(wěn)定在且無穩(wěn)態(tài)靜差。</p><p>　　具有良好的動(dòng)態(tài)特性：超調(diào)量要小，調(diào)節(jié)時(shí)間短。</p><p>　　具有良好的跟隨特性。</p&

58、gt;<p>　　具有良好的抗干擾性能，特別是對(duì)流量的擾動(dòng)能及時(shí)消除。</p><p>　　5.2 串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)相比，具有兩個(gè)被控量，兩個(gè)被控過程，兩個(gè)控制器，兩個(gè)檢測(cè)元件變送器，兩個(gè)閉合回路，一個(gè)執(zhí)行器，而且副回路盡可能包含多的干擾。由于考慮到本實(shí)驗(yàn)主要干擾為流量不穩(wěn)定引起的干擾，因此把副回路設(shè)計(jì)為流量閉環(huán)。于是具體到本水箱

59、實(shí)驗(yàn)：</p><p>　　兩個(gè)被控量：液位（主被控量）與流量（副被控量）</p><p>　　兩個(gè)被控過程：液位穩(wěn)定過程（主被控過程）與流量穩(wěn)定過程（副被控過程）</p><p>　　兩個(gè)控制器：液位控制器（主控制器）與流量控制器（副控制器）</p><p>　　兩個(gè)檢測(cè)元件變送器：壓差式液位傳感器與流量傳感器</p><

60、;p>　　兩個(gè)閉環(huán)回路：液位閉環(huán)（主回路）與流量閉環(huán)（副回路）</p><p><b>　　執(zhí)行器：水泵。</b></p><p>　　搭建的simulink模塊如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 串級(jí)控制系統(tǒng)程序</p><p>　　5.3 控制器PID參數(shù)整定</p><p>

61、;　　根據(jù)設(shè)計(jì)的串級(jí)控制系統(tǒng)，整定主副兩個(gè)控制器的PID參數(shù)。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)要求主回路起定值細(xì)調(diào)作用，副回路起快速粗調(diào)作用，這也是串級(jí)控制主副回路設(shè)計(jì)的基本原則。根據(jù)這個(gè)原則，副回路時(shí)間常數(shù)應(yīng)比主回路時(shí)間常數(shù)小得多。</p><p>　　設(shè)主回路時(shí)間常數(shù)為 ，副回路時(shí)間常數(shù)為，則左右。取，</p><p>　　副控制器PID參數(shù)整定</p&

62、gt;<p>　　由于流量到液位的階躍辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)通過一個(gè)流量閉環(huán)將流量穩(wěn)定，且在此辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中期望的閉環(huán)時(shí)間常數(shù)為0.5，故在此直接應(yīng)用上述辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中中的PID參數(shù)，即 </p><p>　　主控制器PID參數(shù)整定</p><p>　　將副回路傳遞函數(shù)用副回路等效期望閉環(huán)傳遞函數(shù)代替，主被控對(duì)象模型已通過流量到液位階躍辨識(shí)實(shí)驗(yàn)得出。兩者串連關(guān)系，將兩者相乘，即得到總的被

63、控對(duì)象模型。</p><p>　　設(shè)為副回路等效期望閉環(huán)傳遞函數(shù)，為主被控對(duì)象模型，為總的被控對(duì)象模型。則：</p><p>　　由于遠(yuǎn)小于2，故將近似為1，于是得到 如下：</p><p>　　設(shè)置主回路期望傳遞函數(shù)為用單回路設(shè)計(jì)PID參數(shù)時(shí)用到的直接綜合法求出主回路PID參數(shù)：</p><p><b>　　得出：</

64、b></p><p><b>　　故：</b></p><p><b>　　,</b></p><p>　　5.4串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　在實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行試湊調(diào)整，以得到最佳控制效果。</p><p>　　試湊整定后副控制器PID參數(shù)為

65、：</p><p><b>　　＝17，＝0.05</b></p><p>　　試湊整定后主控制器PID參數(shù)為：</p><p><b>　?。?， ＝0.02</b></p><p>　　實(shí)際控制結(jié)果如圖4-4：</p><p>　　從串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論如下：

66、</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)具有2.5%左右的超調(diào)量，與仿真結(jié)果一致。</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間較短，為25s左右。</p><p><b>　　無穩(wěn)態(tài)誤差。</b></p><p>　　5.4.1串級(jí)控制系統(tǒng)跟隨實(shí)驗(yàn)</p><p>　　跟隨實(shí)驗(yàn)主副控制器PID參數(shù)與上述實(shí)驗(yàn)一致，在穩(wěn)

67、定后將給定值從8cm改到10cm,待穩(wěn)定了以后再給5cm的設(shè)定值，實(shí)驗(yàn)控制效果為下圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5串級(jí)控制系統(tǒng)跟隨實(shí)驗(yàn)</p><p>　　5.4.2串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn)</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)比單回路控制系統(tǒng)最主要優(yōu)勢(shì)是抗干擾性能特別好，能及時(shí)消除副回路的擾動(dòng)。具體到本實(shí)驗(yàn)，采用串級(jí)控制系統(tǒng)能及時(shí)消除因電壓變化、水泵發(fā)熱等

68、原因引起的流量變化擾動(dòng)，使系統(tǒng)具有好得多的抗干擾特性。</p><p>　　為了與單回路系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行對(duì)比，此實(shí)驗(yàn)加的擾動(dòng)與單回路抗干擾實(shí)驗(yàn)加的擾動(dòng)相同。</p><p>　　225S旁路閥擾動(dòng)；400s給水泵一個(gè)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如下：</p><p><b>　　5.5總結(jié)</b></p><p>　　通過上述串級(jí)

69、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)，與單回路控制系統(tǒng)對(duì)比，可以簡(jiǎn)單得出結(jié)論如下：</p><p>　　該串級(jí)控制系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，且調(diào)節(jié)時(shí)間較短，為23s左右。</p><p>　　該串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的超調(diào)量，但超調(diào)量較小，在允許范圍內(nèi)。這是因?yàn)閺乃谜伎毡鹊搅髁繃?yán)格來說是一個(gè)二階被控對(duì)象，相對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)通過流量閉環(huán)，改變了原二階被控對(duì)象特性，于是出現(xiàn)了超調(diào)。通過整定PID

70、參數(shù)，可以減小超調(diào)。</p><p>　　該串級(jí)控制系統(tǒng)具有跟隨給定的特性，但相比單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)跟隨給定的調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。</p><p>　　該串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾性能明顯優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)，對(duì)副回路內(nèi)的流量擾動(dòng)能迅速消除。這也是串級(jí)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)所在。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)對(duì)抗干擾性能要求較高時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)是一個(gè)比較不錯(cuò)的選擇。</p

71、><p><b>　　六、報(bào)告總結(jié)</b></p><p>　　通過為期一周的課程設(shè)計(jì)，本組成員從傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)整定、被控對(duì)象模型的建立到控制器的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)性能測(cè)試，完整地完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。</p><p>　　在此次課程設(shè)計(jì)中，本組成員成功地設(shè)計(jì)出了兩個(gè)控制系統(tǒng)：?jiǎn)位芈芬何豢刂葡到y(tǒng)和串級(jí)液位控制系統(tǒng)?，F(xiàn)總結(jié)如下：</p>

72、;<p>　　單回路單容液位控制系統(tǒng)是最基本的單位負(fù)反饋系統(tǒng)，調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小，跟隨特性良好，有一定的抗干擾能力，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在對(duì)系統(tǒng)抗干擾性能要求不高的情況下，可以滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)是對(duì)單回路控制系統(tǒng)的改進(jìn)。主要改進(jìn)方面便是系統(tǒng)的抗干擾性能。通過引入流量閉環(huán)，串級(jí)控制系統(tǒng)大大減弱了副回路內(nèi)的流量擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)比單回路與串級(jí)控制系統(tǒng)的抗干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，

73、可以更加明顯地看出串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。如果對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性能要求較高，可以考慮設(shè)計(jì)成串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　通過此次課程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深了我們對(duì)課本知識(shí)的理解。同時(shí)，在具體的實(shí)踐，我們也遇到了很多課本上沒有、實(shí)際系統(tǒng)中存在的問題，不知所措，也讓我們走了很多彎路。最后，通過查詢資料、咨詢老師及學(xué)長(zhǎng)，這些問題也都得到了較好地解決?？梢?，只學(xué)習(xí)書本知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要想學(xué)好自動(dòng)化，設(shè)計(jì)好一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，

74、必須通過具體實(shí)踐。</p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 邵裕森，巴筱云．過程控制系統(tǒng)及儀表[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999</p><p>　　2 王建輝，顧樹生．自動(dòng)控制原理[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007</p><p>　　3 方崇志，蕭德云．過程辨識(shí)[M]．