广工-过程控制课设第五题-液位串级控制系统

课程设计报告课程名称过程控制与仪表检测题目名称_串级液位控制系统的设计学生学院自动化学院专业班级学生姓名指导教师2015年月日1一、设计任务及要求已知一多容水位对象采用单回路控制时达不到控制要求。若被控广义对象可以用两个串联环节表示，其中副对象传递函数位12()81Gss，主对象的传函为11()(41)(101)Gsss。试设计串级液位控制系统。具体设计要求如下：（1）分析串级控制系统对改善控制系统性能方面的作用：（2）设计相应的串级液位控制系统，给出带控制点的控制流程图和系统原理图；（3）仿真研究单回路和串级系统在单位阶跃扰动（一次扰动和二次扰动）下系统的动态响应；（4）对设计好的系统进行参数整定。二、对象特性分析及仿真2.1对象的特性分析对象是由副对象和主对象两部分组成，故而总的广义对象为1()(41)(81)(101)Gssss可见系统只有极点，没有零点，且实部均为负，说明对象是可自衡的。对象的阶数为3，说明整个系统的对象为三个单容对象连接而成，本课程要求的是多容水位对象，则整个广义对象可以认为是一个传函是181s的水容箱，一个传函是141s的水容箱和一个传函是1101s的水容箱。2.2串级控制系统对改善控制系统性能方面的作用1.从在系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。2.在串级控制中有主、副两个变量。3.从在系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高控制质量。4.串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。2.3串级控制系统带控制点的控制流程图2E-1E-2E-3LT2LC1LT1LC22.4串级控制系统原理图2.5开环传函的阶跃曲线仿真原理框图图1对上图给定单位阶跃信号输入，得到如下图的对象的阶跃响应的仿真结果。m2m1e1c1扰动f1(t)e2设定值Rc2扰动f2(t)主调节器副调节器执行器副对象主对象测量与变送器2测量与变送器132.6单回路控制分析单回路控制的构成很简单，主要有两部分组成：PID控制器和广义对象。该系统能够通过较精确的PID调节得到较理想的输出结果，但对于传输距离较长以及有交大延迟的对象进行控制时会显得控制不及时，从而控制效果比较差。所以，在不是很复杂的以及要求不是很严格的应用场合比较适合采用。由于此课程的控制对象是多容水位，且有三个水容箱，传输距离且时间较长，故而用单回路控制不大适合。接下来通过单回路对对象的控制来解释为何不能使用该控制系统。由于对象已经给定，故而只要确定PID控制器的参数即可。下面以衰减曲线法进行参数整定。首先使调节器为纯比例规律，且比例带较大；使系统闭环，带稳定后即等幅震荡时，逐渐减小比例带，当系统出现4:1衰减振荡时，记录响应曲线，分别计算出δs和Ts，通过衰减曲线法经验表格的公式计算出PID参数。到此为止，计算出的只是初步确定的参数，而并非是最理想的控制参数，需要在已经度确定的参数基础上进行微调，使得调控结果达到较理想的状态，记录下此时的PID参数。如下图3、4、5。2.7单回路控制原理框图图3Matlab仿真结果4图44:1衰减比例带：δs=4.2，峰—峰时间：Ts=32s，那么PID控制器的参数δ=0.8δs=3.36；TI=0.3Ts=9.6s；TD=0.1Ts=3.2s能够稳定跟随。图5三、串级液位控制系统的设计及仿真3.1副对象控制回路的分析及仿真对副对象的控制大部分是采用P调节，而在流量控制或者有较大时间参数的情况下多采用PI调节，由于该课设的副对象是容箱，并且没有较大的时间参数，故而只要采用纯比例调节原理框图如图7所示。副调是粗调，能够克服二次扰动，主调是细调，进行系统校正。但要求副对象的调节时间是主对象回路的调节时间5的4倍以上。副回路原理图：图7图8调解结果为δ副=103.2主对象控制回路的分析及仿真通过对副回路的的PID参数整定后，就可以对整个串级回路的PID控制器进行参数整定，原理框图如图10所示，采用的方法与单回路相似即衰减曲线法，仿真如图11、12所示。图106稳定值：0.89，第一个波峰值：1.31，第二个波峰值：0.99，符合4：1衰减图114:1衰减比例带：δs=9，峰—峰时间：Ts=14.2s，那么PID控制器的参数δ=0.8δs=7.2,TI=0.3Ts=4.26s,TD=0.1Ts=1.42s再次调节后的主回路控制器的理想PID参数为δ=4,TI=2.98s,TD=2.5s。7更快调稳，超调较少，消除稳态误差。四、单回路控制与串级控制系统的比较4.1无干扰情况下的比较原理框图如图13图13单回路和串级控制的比较（无干扰）如图14所示，可以分析知道，串级控制无论是在稳态特性和动态特性方面都强于单回路控制，调节时间，超调，稳态误差等串级控制的控制效果明显优于单回路。原因在于首先是串级控制调节及时，避免了因传输时间长或者有延时的缺点的影响。8图144.2一次和二次干扰情况下的比较单回路控制如图16、17的仿真结果可知，在克服干扰方面有明显的优势，尤其是克服二次干扰，基本不受二次干扰的影响。系统框图如图15所示图15一次干扰下的比较：9010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4图16二次干扰下的比较10010203040506070809010000.20.40.60.811.21.4图17一次干扰和二次干扰同时作用下：11010203040506070809010000.20.40.60.811.21.41.61.8通过上面的分析，可以知道分析串级控制系统对改善控制系统性能方面的作用：有效的克服二次干扰改善广义对象特性，提高工作频率，有一定自适应能力能够更精确控制调节量的流量，可实现更灵活的操作方式。五、总结通过这次的课程设计，使我们整组人对串级系统有了一个更深的了解，也让我们对系统的设计有了初步的思路。包括对原理图，流程框图的设计，主副回路的设计以及主副回路的参数整定都有了更深入的了解。虽然在设计的过程中遇到困难，但我们及时向同学请教，终于解决了困难。也让我们熟悉的掌握了Matlab仿真流程，对我们以后的工作学习道路打下了基础。