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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文强学号2212130任课教师陶珑院、系、中心专科部专业生产过程自动化提交日期2015年10月日太原科技大学摘要I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,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;SimulinkAbstractIIDesignonWaterLevelControlinaTankAbstractThisthesisprovidesdesignmethodsofsingleclosed-loopcontrolsystem,cascadecontrolsystemandfeedforwardcontrolsystemaboutthecontrolledobjectasinglewatertank,anditachievesthegoalofcontrollinglevel.Foreverykindofcontrolsystem,simulationmodelisestablishedbyusingsimulationtoolMatlab,simulationcurvescananalysistheperformanceofcontrolsystem,suchasthemaximumpercentovershoot,settlingtime,attenuationrateandIAE.Thedesignofsingleclosed-loopcontrolsystemincludesdesignsofP,I,PIandPID.Thecontrollerparameteristunedbyfrequencyresponseofattenuationrateandtheattenuationcurve.Allthecontroldesignmethodsincludedarecomparedbysimulationcurvesandperformanceindexesandwefinallyfindthatcascadecontrolandfeedforwardcontrolareabletoimprovesystem’sperformance.Keywords:PID;Cascade;Feedforward-feedback;Parametertuning;Simulink目录目录摘要..................................................................................................................................IABSTRACT............................................................................................................................II1设计要求及内容.........................................................................................................12单容水箱系统建模.....................................................................................................33单闭环控制系统设计..................................................................................................53.1比例控制系统设计..........................................................................................................53.2积分控制系统设计..........................................................................................................73.3比例-积分控制系统设计.................................................................................................93.4比例-积分-微分控制系统设计......................................................................................124串级控制控制方案设计............................................................................................165前馈控制方案设计...................................................................................................186实验室水箱实验报告................................................................................................196.1压力单闭环实验............................................................................................................196.2液位单闭环实验............................................................................................................206.3上水箱液位和流量组成串级实验................................................................................226.4前馈反馈控制实验........................................................................................................247总结.........................................................................................................................26参考文献...........................................................................................................................27附录...................................................................................................................................28单容水箱控制系统设计11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328cm/smAvK,液位变送器静态增益1mA/cmmK。(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Matlab2)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:单容水箱控制系统设计2\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.单容水箱控制系统设计32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)—+ΔQ(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()idodHQQQdtF1dHQdtF其中iQkoHQRF为水槽的横截面积,F=1000cm2;k为决定于阀门特性的系数,可以假定它是常数;R是与负载阀的开度有关的系数,在固定不变的开度下,R可视为常数,R=0.03s/cm2;为调节阀开度,控制水流入量iQ,由控制器LC控制;Kv为阀门静态增益,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328cm/smAvK,可将阀门看成一个静态增益为vK的一阶惯性环节;液位变送器静态增益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1mA/cmmK的比例环节;dQ为扰动,其值可根据具体情况而定。假设扰动dQ为常值,在起始的稳定平衡工况下,平衡方程式(2-1)变为00010()idoQQQF(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)单容水箱控制系统设计4式(2-5)减式(2-1)得1()iodHQQdtF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012oQHRH于是式(2-6)可化为011()2idHQHdtFRH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011()2idHQHdtFRHLaplace变换得:011()(())2isHsQHsFRH假设液位的初始值为016Hcm,代入数据得单容水箱系统的数学模型11()(())10002*0.03*16isHsQHs被控对象传递函数为()0.3()()3001pHsGsQss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)—+ΔQ(s)1vvKTs0.33001smK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53单闭环控制系统设计328cm/s*mA1mA/cm
本文标题:单容水箱液位控制系统设计
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