双容水箱液位控制_北京工业大学

《控制系统设计与试验》——课程设计与报告成员：专业：自动化任课教师：于建均完成日期：2015年6月20日自动控制系统课程设计双容水箱系统2目录1、绪论…………………………………………………………………32、课程设计任务………………………………………………………43、被控对象的模型及分析……………………………………………44、系统控制方案论证…………………………………………………65、控制结构与控制器设计步骤………………………………………76、实验过程论述………………………………………………………87、实验结果及分析……………………………………………………118、总结…………………………………………………………………129、附录…………………………………………………………………13自动控制系统课程设计双容水箱系统3绪论双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。论文以THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。自动控制系统课程设计双容水箱系统4一、课程设计任务一、课程设计目的（1）掌握自动控制系统的分析与控制器设计方法。（2）掌握基于MATLAB的系统仿真方法（3）掌握基于实验方法确定系统模型参数的方法(4)掌握基于物理对象的控制系统的调试方法（5）培养编制技术总结报告的能力。2、被控对象:双容水箱系统3、性能指标要求衰减率4:1～10:1,超调量Mp10%，调节时间Ts45s，稳态误差0sse二、被控对象的模型及分析1双容水箱的数学模型双容水箱液位控制结构图如下图所示：图2-3双容水箱液位控制结构图设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为*)1*)(1*()()()(2112esSTSTKSGSQSH自动控制系统课程设计双容水箱系统5式中K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分别为阀V3和V4的液阻，C1和C2分别为左水箱和右水箱的容量系数。式中的K、T1和T2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：1）、h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)；图2-4阶跃响应曲线2）、h2（t）|t=t1=0.4h2(∞)时曲线上的点A和对应的时间t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8h2(∞)时曲线上的点B和对应的时间t2。然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K、T1和T2。其中：对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32t1/t20.46。当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G(S)=K/(TS+1)2（此时T1=T2=T=(t1+t2)/2*2.18）过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A点，OA即为滞后时间常数て。实际测得的阶跃响应曲线2.16ttTT)4)(K21212、阶跃输入量输入稳态值ORh)55.074.1()T(TTT)52122121tt、tht00.40.8200()h00()h00()1t2BAh22(t)2PてA自动控制系统课程设计双容水箱系统62、双容水箱系统数学模型的分析双容水箱系统的等效传函是个二阶惯性环节，从图上可以看出水箱系统的滞后包括两个部分，一部分是由于传输延时造成的纯滞后，另一部分是有水箱自身的容量滞后。由于系统是二阶惯性环节，所以开环曲线呈“s”型。三、系统控制方案论证1、选用的控制方法：PID控制方法2、控制方法简介PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。自动控制系统课程设计双容水箱系统7四、控制结构与控制器设计步骤1、控制结构：PID控制系统PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：式（4.1）控制规律为：式（4.2）或以传递函数形式表示：式（4.3）++r(t)比例P积分I微分D被控对象)()()(tytrte01tdetUtKpeteiTdTidt)11()()()(TdsTiskpsEsUsG自动控制系统课程设计双容水箱系统8KP:比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数。2、控制器的设计：经验凑试法整定方法：采用实验凑试法：它是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。整定步骤：实验凑试法的整定步骤为先比例，再积分，最后微分。a)整定比例控制：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。b)整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。c）可以先将选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。d）整定微分环节：经过积分整定，PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。可先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。最终PID结构及参数：五、实验过程论述在课设的开始阶段，我们先熟悉了一下实验所用到的仪器及软件，并对实验过程和目的进行了一番学习及了解。自动控制系统课程设计双容水箱系统9接下来我们便进入到了对单/双容水箱的特性测试，也就是对变送器的调试，由于主副回路变送器的滑变总是自动跳数，所以导致我们组花了很长的时间去确定零点电压及线性关系。最后主副回路零点电压基本分别稳定在了1.04v和1.1v。然后便是对水箱数学模型的建立以及控制结构与控制器的设计与仿真。（也就是我前面所陈述的传函的测试与建立，以及我们组所选择的串级控制系统和PID整定方法）此阶段我们组完成的还算比较顺利，虽然不能保证所得传函一定百分百准确，但PID参数的调试及仿真结果还算比较令人满意。最后便进入到了实时控制阶段。当我们天真的以为仿真调参过后已经接近成功的时候，实时控制的结果告诉我们，理想和现实果然还有一定的差距。当我们搭好模型并采用我们仿真所调试的参数进行测试后惊奇并失望的发现，不仅响应曲线不对，连液位都无法稳定。一阵挫败感过后，实验依然得继续，我们便进入了新一轮的调参活动中，最终我们确定的方案是副回路用比例控制，主回路用比例积分控制。当我们随意给定系统几个液位值并加入各种形式扰动后，系统依然能恢复稳态，虽然调节时间略长，但其它性能指标要求已基本满足。至此实验基本告以段落。实时控制结构图：实验设计中的添加部分：在结构设计中，PID环节后面加了一个1.8V的偏置电压，原因是调节阀在接收到1.8V电压时才会做出出水的响应，加了1.8v的好处是在后面计算流量与电压中可以直接对输出的水量与电压做一个接近于线性的比例关系，这个关系就是后面接的那个1.17的放大环节，此环节实现了流量与电压的直接对应关系。最后面我又加了一个-1.15V的直流偏置电压，此环节是为了在水位高度为零的时候，电压输出正好为0V，在原始调节的环节中，我们按照要求，设定的为1V，在后续实验中，由于其他人改变了调节阀的调节电阻，以及其他的干扰因素，都使得0高度水位时输出的电压为1.15V，在这里减去这个电压，是的最终输出高度与电压的比例关系，正好为1:10，方便观察及计算。另外，在计算PID环节，其中积分环节，我加入了一个+-0.5V的限位，这使得积分环节被限制在了一个小的范围内，使得在PID响应过程更加迅速准确，相当于把原有积分环节修改成了在某一区间内的积分环节，这一点对系统性能有较大的提高。1系统阶跃响应【PID环节加入限位的前后对比】自动控制系统课程设计双容水箱系统10加入前:Ts明显超过150s，加入后可见Ts为130s左右，满足实验要求技术指标：Mp=9%10%Ts=130sEss=02给定10cm330s突加给定7cm可见不仅超调很小而且高度改正迅速，并能实现无差技术指标：Mp=5%Ts=140s加扰动后：Mp=7.3%Ts=140s3、给定10cm180s时突然加大阀门调价干扰，33s突然加大放水阀门，400s时给定为9cm自动控制系统课程设计双容水箱系统11300s有一个小的拐点，原因是阀门开度实在太大，使得水位回升太慢，因此稍微调小一点点放水的阀门，因此出现了一个小拐点，对于实验来说没有影响。可以看出，超调进不超过10%，并且加干扰后系统响应迅速无静差。3、加水干扰测试120s突然加大放水阀门，320s突然向水箱中加入300ml水原有系统超调不超过8%，在突然放水时相应迅速，快速实现无差，在后面突然加水环节，更是响应十分迅速，超调接近9%，并能够快速实现无差。六、实验结果及分析实验结果：从图中可以看出，在我们随意给定7cm和9cm以及加入适当扰动后，系统依然能恢复稳定并保证无静差且响应曲线较好，但由于更正系统参数自动控制系统课程设计双容水箱系统12后时间紧迫使得在选择PID参数时不够精确，导致调节时间虽然满足要求，但是调节时间较长。分析：纵观我们组整个实验过程以及最后响应曲线的呈现，我总结出以下几个问题：（1）仿真的阶跃响应曲线与实际曲线之间存在一定的差别。仿真处于理想状态，而实际是不可能处于理想状态的，系统受到了个个方面的干扰，其次，我组在计算系统参数的时候采用了大量的近似计算，所以这也有可能造成了仿真与实际系统之间的误差。（2）实际液位与示波器显示的差别这个问题是我们组在进行实时控制时遇到的。这一点十分恼人，因为有很多组人一起做实验，不同组别有不同的数据，调节阀的开度也总会改变，因此其比例很难掌握，不过在姐家来的阶段中，我们找到了更好的方法，就是在PID环节之后加的1.17倍的比例，原因之前已经论述。（3）系统调节时间过长虽然PID三部分各有各自的特点，但在调节过程中他们的作用毕竟还是相互的，正所谓牵一发而动全身。调节时间被限定在150s，虽然都满足实验要求，但是我发现在积分环节加入+—0.5V的限位以