双容水箱液位流量串级控制系统设计2

题目：双容水箱液位流量串级控制系统设计一.设计任务与要求如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。自来水水箱1水箱2流出图1系统示意图1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1),副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果；3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果；4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。二.设计任务分析1）此控制系统是以调节阀门开度改变进水大小作为控制手段，目标是控制水箱2液位处于一个稳定高度。2）串级控制系统：串级控制系统有两个回路，其内回路是粗调，外回路是细调。对此控制系统，内回路以流量作为信号控制进水阀开度，调节进水量，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求()zsG--执行器的传递函数()usG--控制阀的传递函数12()()mmssGG--主副变送器传递函数01()sG02()sG--主副对象的传递函数1()TsG2()TsG--主副控制器的传递函数3)单回路控制系统：对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会使控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果三．单回路PID控制的设计（1）无干扰下的单回路PID仿真方框图1()TsG()zsG()usG02()sG01()sG1()msG0()fsG2()msG2()TsG()TsG()zsG()usG02()sG01()sG1()msG0()fsGPID整定与仿真曲线，采用衰减曲线法，整定依据是纯比例下的实验数据，取衰减比为4:1。设置积分时间Ti=∞，微风时间Td=0，改变比例带δ，找出最佳整定曲线，根据经验公式求出δ，Ti，Td的数值衰减曲线法整定计算公式（4:1情况下）调节规律比例度δ(%)积分时间Ti(min)微分时间Td(min)PδSPI1.2δS0.5TSPID0.8δS0.3TS0.1TSKp=38时衰减比接近8:1，不符合Kp=42时衰减比接近6:1，不符合Kp=44时衰减比接近4:1符合。测得Ts=30s，δ=44*5/4=55，Ti=0.3Ts=9s，Td=0.1Ts=3s（2）干扰下的单回路PID仿真方框图Kp=38时曲线不稳定Kp=42时曲线不稳定Kp=44时曲线不稳定单回路系统分析：在单回路中，由仿真曲线可知，无干扰情况下，系统可以趋于稳定；但当加入干扰后，系统很难稳定。四.串级控制的设计（1）无干扰下的串级控制仿真方框图在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，为了主变量的稳定通常采用PI控制器，而副控制器是随动系统，采用P控制器就可以满足要求。在调整过程中采用一步法即可无干扰下仿真曲线Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=2Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=4与单回路比较可知，串级控制过渡时间相对缩短了，而且系统更加稳定。（2）干扰下的串级控制仿真方框图干扰下仿真曲线Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=1.3Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=2Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=4Kt1=47，Ti=10，Td=2，Kt2=2Kt1=50，Ti=10，Td=2，Kt2=2串级系统分析：比较上面的曲线，当加大Kt2时，调节时间缩短，当加大Kt1时，系统超调量加大。五.单回路和串级对流量扰动抑制作用比较由单回路与串级控制的仿真曲线相比，可以得出串级控制过渡时间小，最大偏差小，对扰动抑制作用更加及时有效，系统稳定性更高，抗干扰能力更强。六.设计总结在做这次课程设计过程中，我运用了实验课上学到的知识，并且与课本中的理论知识相结合，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了深刻的认识，并且基本掌握了PID参数整定方法，对课本上的相关知识有了更深刻的理解。这次设计使我对串级控制系统的特点以及优势有了深刻的了解，与单回路控制相比，串级控制过渡时间小，最大偏差小，对扰动抑制作用更加及时有效，系统稳定性更高。通过本次课程设计，我收益匪浅。