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1、过程控制系统设计作业过程控制系统设计作业 单容水箱液位控制系统设计 学生姓名学生姓名 文强文强 学号学号 2212130 任课教师任课教师 陶珑陶珑 院、系、中心院、系、中心 专科部专科部 专业专业 生产过程自动化生产过程自动化 提交日期提交日期 2015 年年 10 月月 日日 太太 原原 科科 技技 大大 学学 摘 要 单容水箱液位控制系统设计 摘摘 要要 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，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
2、 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：关键词： PIDPID；串级；前馈反馈；参数整定；串级；前馈反馈；参数整定；SimulinkSimulink Abstract I Design on Water Level Control in a Tank Abst
3、ract 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
4、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 f
5、requency 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 systems performance. Keywords: PID；Cascade；Feedforw
6、ard- feedback；Parameter tuning；Simulink 目 录 目 录 摘摘 要要I ABSTRACTII 1设计要求及内容设计要求及内容1 2单容水箱系统建模单容水箱系统建模 3 3单闭环控制系统设计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串级控制控制方案设计.16 5前馈控制方案设计前馈控制方案设计.18 6实验室水箱实验报告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
7、22 6.4前馈反馈控制实验24 7总结总结.26 参考文献参考文献.27 附录附录.28 单容水箱控制系统设计 0 1设计要求及内容设计要求及内容 图 1 单容水箱液位控制系统 单容水箱液位控制系统如题图 1 所示。已知 F=1000cm2，R=0.03s/cm2。 调节阀为气关式，其静态增益，液位变送器静态增益 3 28cm /s mA v KA 。1mA/cm m K (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
8、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 单容水箱控制系统设计 1 内分 2 个目录： 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
9、 . 单容水箱控制系统设计 2 2单容水箱系统建模单容水箱系统建模 单容水箱系统的传递方框图如所示 Gc(s)Gv(s)Gp(s) Gms) uQi(s)H(s)R(s) Y(s) E(s) Qd(s) + Q(s) 图 2 单容水箱系统的传递方框图 在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程5 1 () ido dH QQQ dtF 1dH Q dtF 其中 i Qk o H Q R F 为水槽的横截面积，F=1000cm2；为决定于阀门特性的系数，可以假定它k 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，RR R=0.03s/cm2；为调节阀开度，控制水流入量，由控制器
10、 LC 控制；Kv 为阀门 i Q 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 “” ，即，可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节；液 3 28cm /s mA v K A v K 位变送器静态增益 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，则其可看成是一增益为 的比例环节；为扰动，其值可根据1mA/cm m K d Q 具体情况而定。 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 Q 000 1 0() ido QQQ F (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 单容水箱控制系统设计 3
11、式（2-5）减式（2-1）得 1 () io d H QQ dtF 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 0 1 2 o QH R H 于是式（2-6）可化为 0 11 () 2 i d H QH dtFR H 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 0 11 () 2 i dH QH dtFR H Laplace 变换得： 0 11 ( )( ) 2 i sH sQH s FR H 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 0 16Hcm 11 ( )( ) 10002*0.03*
12、16 i sH sQH s 被控对象传递函数为 ( )0.3 ( ) ( )3001 p H s Gs Q ss 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 Gc(s) uQi(s)H(s)R(s) Y(s) E(s) Qd(s) + Q(s) 1 v v K T s 0.3 3001s m K 图 3 单容水箱系统传递函数方框图 (2-6) (2-7) (2-8) (2-10) (2-11) (2-9) (2-12) 单容水箱控制系统设计 4 3单闭环控制系统设计单闭环控制系统设计 3 28cm /s*mA1mA/cm 1s vmv KKT ，假设 3.1比例控制系统设计比
13、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 ( )( )( )( ) (1)(3001) pvpm GsG s Gs Gs ss 令，根据频率特性法5整定控制器的参数得0.2210.75 ss m， s (m ,)1 (m ,) ppss ps K M 则由式(3-1)解得，再由，可得到理论整定值。 s 1 (,) p pss K Mm p K （2） 、工程整定方法：采用衰减曲线法5 调整参数，令，得系统衰减振荡曲线0.75 (3-1) 单容水箱控制系统设计 5 图 5 系统衰减振荡曲线 P=-200 由系统衰减振荡曲线得 2 12 1 16 2
14、4.0481=18.061610.74380.75 16 1 5.082.322.76s2000.005 sp p y yy y TK K ， ， 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 I T 的整定值，结果如表 1 所示： D T 表 1 衰减曲线法参数整定计算表 衰减率 整定参数 调节规律 I T D T P-0.005 PI-0.0061.380.75 PID-0.0040.8280.276 （3） 、性能指标： 在 t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图 1 所示。将波形数据 3 5000cm d Q 通过“To Workspace”输出到 Matlab 工作
15、区进行计算，可得时，该比例0.005 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 y1 y1 y1 Ts 单容水箱控制系统设计 6 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积分控制系统设计积分控制系统设计 （1） 、理论整定方法： 广义被控对象为 8.4 ( )( )( )( ) (1)(3001) pvpm GsG s Gs Gs ss 令，根据频率特性法整定控制器的参数得0.2210.75 ss m， (3-2) 2 0 s 1 (m ,) (m ,)arctan 2 s pss pss m S M m 则由式(3-2)可解得，再由，可得到（积分速度） ，进而 s 2 0 1 (m ,) s pss m S M 0 S 可计算出积分时间理论整定值。 0 1 I T S （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 对积分控制系统进行参数整定：；，得仿真曲线如下图所示。1/ 20I 0 d Q 由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制
