过程控制双容水槽课程设计

目录1.选题背景..................................................................11.1社会背景及指导思想...................................................11.2设计任务要求.........................................................12.被控系统建模..............................................................12.1水箱模型的分析.......................................................12.2阶跃响应曲线法确定模型参数...........................................23.控制系统的设计和仿真......................................................53.1整定参数.............................................................53.1.1整定方法.......................................................53.1.2整定步骤.......................................................63.2控制系统仿真.........................................................83.2.1单回路闭环系统设计.............................................93.2.2串级控制系统设计...............................................93.2.3阶跃响应性能...................................................93.2.4抗扰动能力....................................................104.设计结果及分析...........................................................124.1性能指标测定........................................................124.2PID参数整定规律....................................................135.设计总结.................................................................13参考文献................................................................1411.选题背景1.1社会背景及指导思想在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理、冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽。下水槽水的流出量由用户根据需要改变，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。1.2设计任务要求综合运用本课程和其他相关知识，运用机理建模法建立双水槽对象的数学模型，分析其动静态特性和影响下水槽液位的主要干扰因素并设计出一液位控制方案，实现液位的准确控制。最后进行仿真研究。2.被控系统建模2.1水箱模型的分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模]1[。双容水箱液位控制结构图如图2-1所示：图2-1双容水箱液位控制结构图两容器的流出阀均为手动阀门，流量Q1只与容器1的液位1h有关，与容器2的液位2h无关。容器2的液位也不会影响容器1的液位，两容器无相互影响。2由于两容器的流出阀均为手动阀门，故有：Qi-Q1=A1dtdh1Q1-Q2=A2dtdh2其对应的拉式变化为Qi(s)-Q1(s)=A1sh1(s)（2-1）Q1(s)-Q2(s)=A2sh2(s)（2-2）令容器1、容器2相应的阀门液阻分别为1R和2R,其中Q1(s)=11)(Rsh（2-3）Q2(s)=22)(Rsh（2-4）将（2-3）和（2-4）带入（2-1）和（2-2），可得)()(2sQshi=1)(2211222112sRARAsRARAR（2-5）令T1=A1R1,T2=A2R2,可得1)()()(2122122sTTsTTRsQshi（2-6）可见，虽然容器1的液位会影响容器2的液位，但容器2的液位不会影响容器1，二者不存在相互影响；过程的传递函数相当于两个容器分别独立时的传递函数相乘，但过程增益为两个独立传递函数相乘的1/R1倍。令Qi=ku，K=kR2，对液位控制系统过程传递函数为：2.2阶跃响应曲线法确定模型参数（1）获取参数采用阶跃干扰法]2[分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。如图2-2系统图来做实验获取数据。首先通过手动操作使过程工作在所需测试的稳态条件下，稳定运行一段时间后，快速改变过程的输入量，并用纪录仪或数据采集系统同时记录过程输入和输出的变化曲线，经过一段时间后，过程进入新的稳态，试验结束得到的记录曲线就是过程的阶跃响应。)1)(1()s()s()(2S12sTTKGush3图2-2双容水箱模型测定原理图测得的参数如表2-1和表2-2所示：表2-1上水箱阶跃响应参数(间隔30s采集数据）表3-2下水箱阶跃响应参数(间隔30s采集数据)由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。两组实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点，后面的数据依次减去初始值处理，作为Y轴上的各阶跃响应数据点；将对应Y轴上阶跃响应数据点的采集时间作为曲线上各X点的值。（2）求取上水箱模型传递函数在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令]3[：x=0:30:900;y=[01.32.43.64.65.56.37.17.78.18.48.89.19.49.69.810.110.310.410.510.610.610.610.610.610.610.610.610.610.610.6];（y为表3-1中每组参数与第一组参数之差）p=polyfit(x,y,4);xi=0:3:900;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,'b:o',xi,yi,'r')xlabel('时间t(s)');t(s)/30s123456789101112131415h(cm)13.514.815.917.118.119.019.820.621.221.621.922.322.622.923.1t(s)/30s161718192021222324252627282930h(cm)23.323.623.823.924.024.124.124.124.124.124.124.124.124.124.1t(s)/30s123456789101112131415h(cm)2.12.32.62.93.33.74.14.34.75.05.35.65.86.16.3t(s)/30s161718192021222324252627282930h(cm)6.56.66.86.97.07.17.27.27.27.27.27.27.27.27.2电动磁力泵电动调节阀上/下水箱供水控制进水量施加阶跃输入信号4ylabel('液位h(cm)');[x,y]=ginput(1)[x1,y1]=ginput(1)gtext('t=200')gtext('h=10.6')在MATLAB中绘出上水箱拟合曲线如图2-3所示：图2-3上水箱拟合曲线注：图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。数据点与曲线基本拟合。根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T。而斜率K为P(t)在t=0的导数，以此做切线交稳态值于A点，A点映射在t轴上的B点的值为T。阶跃响应扰动值为10，静态放大系数为阶跃响应曲线稳态值)(y与阶跃扰动值0x比，所以上水箱传递函数为。（3）求取下水箱模型传递函数在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：x=0:30:900;y=[00.20.50.81.21.62.02.22.62.93.23.53.74.04.24.44.54.74.84.95.05.15.15.15.15.15.15.15.15.15.1];（y为表3-2中每组参数与第一组参数之差）01002003004005006007008002468101214时间t(s)液位h(cm)t=200h=10.60)(0xyk1200106)(1ssG5p=polyfit(x,y,4);xi=0:3:900;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,'b:o',xi,yi,'r')xlabel('时间t(s)');ylabel('液位h(cm)');[x,y]=ginput(1)[x1,y1]=ginput(1)gtext('t=465')gtext('h=5.1')在MATLAB中绘出下水箱拟合曲线如图2-4所示：图2-4下水箱拟合曲线注：图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。数据点与曲线基本拟合。求取传递函数方法和上水箱的类似，求得下水箱传递函数为。3.控制系统的设计和仿真3.1整定参数3.1.1整定方法在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。146551)(2ssG01002003004005006007008009000123456时间t(s)液位h(cm)t=465h=5.16副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器先P控制规律就可以了，若引入积分规律，还会延长控制过程，减弱副回路的快速作用，若引入微分控制规律会使调节阀动作过大，对控制不利。因此在本设计中，主控制器选用PID调节器，副控制器选用P调节器，并采用两步整定法对该串级控制系统进行整定，其结构框图如图3-1所示。图3-1串级控制系统结构框图3.1.2整定步骤（1）将主副回路均闭环，置主控制器的Kp1为最大，Ti=0，Td=0，然后设置Kp2的值，直到副回路的输出曲线大致为4：1衰减曲线，并记下此时Kp2的值；（2）将副控制器的Kp2置为10，调节主控制器的Kp1的值，直至主回路的输出曲线大致为4：1衰减