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1、过程控制系统课程设计：二级水箱液位串级控制系统班级：自动化一班学号：0805010111姓名：王晓林指导老师：王冰二级水箱液位串级控制系统要求：1. 给定详细的二级水箱被控对象理论建模过程。2. 根据控制要求，详细设计二级水箱串级控制系统方案：包括控制结构选择、变量控制、设计系统工艺流程图与控制方框图；确定传感器、控制器、执行器等。3. 给出详细的主、副控制器设计与整定过程及依据，包括主副控制器控制规律选择；主副控制器的正反作用的选择；主、副控制器参数整定。4. 二级水箱液位串级控制系统软件仿真，包括Matlab仿真模型搭建、给出详细的单回路控制系统PID参数整定的过程；给出详细的串级控制系统
2、主副回路控制器参数整定依据及过程；单回路与串级控制效果比较（分有无干扰两种情况）。5.二级水箱液位串级控制系统实物实现：实验室系统搭建、参数整定、调试。一、建模过程 由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。采用双回路串级控制的方法来实现对双容水箱中下水箱液位H2的有效控制。其中A1、A2分别为水箱的底面积，q1、q2、q3为水流量，R1、R2为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有： qi=hi-1Ri 。则根据物料平衡，对水箱1有：q1-q2=A1dh1dt q2=h1R2拉式变换得： Q1S-Q2S=A1SH1S , Q2S=H1SR2对水箱2： q2-q3=A2dh2d
3、t q3=h2R3拉式变换得 ： Q2S-Q3S=A2SH2S , Q3S=H2SR3则对象的传递函数为：W0s=H2SQ1S=R3A1R2S+1A2R3S+1=KT1S+1T2S+1令T1=A1R2，T2=A2R3，其中T1、T2分别为水箱1、2的时间常数，K为双容对象的放大系数。若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：W0s=H2SQ1S=KT1S+1T2S+1e-0s其中0为延迟时间常数。二、串级控制系统设计副调节器给定值主调节器液位变送器下水箱液位变送器上水箱调节阀二级水箱工艺设计图主副控制器选用PID控制，执行器调节阀采用气关式工作方式。采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送
4、至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（调节阀），从而改变流量调节水位。设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。串级控制方框图如下：主控制器副控制器调节阀上水箱下水箱液位变送器液位变送器上水箱液位下水箱液位给定值扰动 三、主副控制器设计与整定过程1、主副回路设计：串级
5、调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。选择主对象为下水箱，副对象为上水箱。串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调节器抵消了。对于中间变量并无特殊要求，它的选择应该是，既能迅速反应扰动作用，又能使副环包括更多的、特别是幅度大而频繁的扰动。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或 D 控制。主调节器的任务主要是克服落在副环以外的扰动，并准确保持被调量为给定值。由于副回路的存在，串级系统可以看
6、作一个闭合的副回路代替了原来一部分的对象，起了改善对象特性的作用。使用双闭环结构，主控制器选择比例积分微分控制规律(PID)，对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率(P)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对于系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系。2、控制参数选择：在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。3、主副控制器正反作用选择：一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器
7、应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式4、参数整定：串级控制系统的投运和整定有逐步逼近法，也有两步整定法，设计采用两部整定法。即先整定副回路，即上水箱的PID参数整定后整定主回路，将主调节器设置为自动，再整定主回路，即下水箱的P参数整定。通过手动调节主调节器的输出给副调节器输入给定值。整定步骤如下： 工艺稳定，主副回路均在纯比例调节规律运行的条件下，将主调节器比例度置于100%，逐渐减小副调节器的比例度，当副回路达到41的衰减震荡过程时，记下副调节器的比例度2S和过渡周期T2S。 将副调节器比例度固定在2S，逐渐减小主调节器的比例度，当主回路达到41衰减振荡过程时，记下主调节器的比例
8、度1S和过渡周期T1S。 根据求出的2S、T2S、1S、T1S，按表计算出主副调节器的比例度、积分时间和微分时间。 按“先副后主”、“先比例次积分后微分“的原则，将计算得出的调节器参数加到调节器上。 观察记录曲线，进行适当的调整。调节器调节规律计算表调节规律调节 器参数比例度积分时间T1微分时间TDPSPI1.2S0.5TsPID0.8S0.3Ts0.1TS四、Simulink模型仿真 主回路传递函数：Gp1S=520S+1 副回路传递函数：Gp2S=1.25.2S+1二次扰动为幅值为0.5V，频率为1Hz的正弦波。1、单回路无干扰控制系统PID参数整定过程：采用衰减曲线法。、先确定Kp，通过
9、试凑得到当Kp=5时衰减比约为4：1，如下图所示。由图可以读出TS=11s。根据调节器调节规律计算表中的公式计算得：积分时间TI=3.3，微分时间常数TD=1.1。由上面结果可以计算得Kp=5 , KI=1.52 , KD=5.5。将上述参数输入模型得到下图。由图形可以看出，超调量较大，调整时间过长，所以减小KI ，增大KD 。经过不断调整，当参数为Kp=5 , KI=0.06 , KD=8.6时，结果相对较好，调整结果如下图。2、串级无干扰控制系统PID参数整定过程：先整定副环KP，经过调试，当Kp=30时，稳态误差已经无法减小，副环整定结束。然后整定主环，经过调试，主环Kp=15时，效果有
10、所改善。波形图如下：3、单回路有干扰控制系统仿真波形如下图：由上图可知，单回路系统对干扰的抑制能力较弱，系统随干扰震荡。4、串级有干扰控制系统仿真波形如图：由上图可知，串级系统明显对干扰的抑制能力加强，震荡得到有效的抑制。5、单回路系统与串级系统在无干扰时的比较波形仿真如下：由图可知：串级控制系统比单回路控制系统反应速度更快，超调更小6、单回路系统与串级系统在有干扰时的比较仿真波形如下：由上图可以看出：在相同的干扰作用下，串级控制系统比单回路控制系统反应速度更快，超调更小，且抗干扰能力更强。五、二级水箱液位串级控制系统实物实现：1、下水箱液位单回路控制系统：2、下水箱液位单回路控制系统：3、二
11、级水箱液位串级控制系统：六、设计心得：这次的课程设计自己学到很多东西。之前的很多仿真作业自己没有认真地做过，matlab用的次数很少，所以很多东西都是现学的。这个过程中也发生了一些比较让我郁闷的事情，但是自己想要在毕业设计之前好好的熟悉一下各种工具和知识点，因此这个课程设计自己还是做得比较认真。1、学习了应用matlab仿真基本方法，通过仿真验证了串级控制对干扰的有比较强烈的抑制能力。2、基本了解并初步掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性以及对仿真曲线的不同影响有了比较清楚的认识，通过实验仿真，这部分内容印象比较深刻。3、通过本次设计，我学习
12、到了分析简单系统特性的一般方法，并对实际控制系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。各个环节所选择的依据及其特点等等。4、过程中遇到的问题及其解决：、小报告阶段，仿真建模之前阶段的准备，由于这个学期找工作问题比较少去上课，所以很多知识都不会，自己查了很多资料，自己也去看课件查书，学习控制器的设计及其参数整定及其依据。也问过一些同学相关知识点。、仿真阶段，由于自己之前没怎么用过matlab仿真，所以搭建模型图自己不是很会，还有参数的整定过程。自己就跟与自己同一台电脑的宋瑞瑞同学学习，他真的给了自己很大的帮助。回到宿舍之后自己当自己不会的时候也总是问他。、实物实现阶段，在连接电路的时候，开始的供水系统，开始的时候不能打水。因为当断电之后，电动调节阀不能自动运转，可以先将控制器的输出给调节阀，控制调节阀的开关。串级系统连接时，主副控制器之间的输入以及与被控量的连接。上水箱的液位变送器将信号送给副控制器2、3端，下水箱液位信号送给主控制器，主控制器输出给副控制器1、2端，两个信号在副控制器比较之后，输出反馈信号给调节阀，调节水的流入量。但是我们小组所用的仪器的仪表读数很不精确，所以在参数的调节这一块，没有做好。
