单容水箱液位控制系统设计Word文件下载.doc
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水箱建模
2013.11.10
3
P、I设计及仿真
2013.11.15
4
PI、PID设计及仿真
Word2010
2013.11.23
5
单闭环修改
Word2013
2013.12.1
6
串级设计及仿真
2013.12.11
7
2013.12.25
8
串级修改
2013.12.27
9
前馈设计及仿真
2013.12.28
10
实验报告
2013.12.29
11
2013.12.30
12
总结、摘要及参考文献
摘要
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;
Simulink
I
Abstract
DesignonWaterLevelControlinaTank
Abstract
Thisthesisprovidesdesignmethodsof
singleclosed-loopcontrolsystem,
cascadecontrolsystem
andfeedforward
controlsystemaboutthecontrolledobjectasingle
watertank
anditachievesthegoalofcontrollinglevel.
Foreverykindofcontrolsystem,
simulationmodelisestablishedbyusingsimulationtoolMatlab,simulationcurvescananalysistheperformanceof
controlsystem,
suchasthemaximumpercentovershoot,
settlingtime,
attenuationrateandIAE.
Thedesignof
singleclosed-loopcontrol
system
includesdesignsofP,
I,
PI
andPID.
Thecontrollerparameteristunedbyfrequencyresponseofattenuationrateandtheattenuationcurve.Allthe
controldesignmethodsincludedarecomparedbysimulationcurvesand
performanceindexesandwefinallyfindthatcascadecontrolandfeedforwardcontrol
areabletoimprove
system’sperformance.
Keywords:
Cascade;
Feedforward-feedback;
Parametertuning;
目录
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1 设计要求及内容 1
2 单容水箱系统建模 3
3 单闭环控制系统设计 5
3.1 比例控制系统设计 5
3.2 积分控制系统设计 7
3.3 比例-积分控制系统设计 9
3.4 比例-积分-微分控制系统设计 12
4 串级控制控制方案设计 16
5 前馈控制方案设计 18
6 实验室水箱实验报告 19
6.1 压力单闭环实验 19
6.2 液位单闭环实验 20
6.3 上水箱液位和流量组成串级实验 22
6.4 前馈反馈控制实验 24
7 总结 26
参考文献 27
附录 28
单容水箱控制系统设计
1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Error!
Referencesourcenotfound.所示。
已知F=1000cm2,R=0.03s/cm2。
调节阀为气关式,其静态增益,液位变送器静态增益。
(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Matlab
2)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:
\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@.
2单容水箱系统建模
单容水箱系统的传递方框图如所示
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Error!
Referencesourcenotfound.
(2-2)
(2-1)
其中
(2-3)
(2-4)
F为水槽的横截面积,F=1000cm2;
为决定于阀门特性的系数,可以假定它是常数;
是与负载阀的开度有关的系数,在固定不变的开度下,可视为常数,R=0.03s/cm2;
为调节阀开度,控制水流入量,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,可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节;
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的比例环节;
为扰动,其值可根据具体情况而定。
假设扰动为常值,在起始的稳定平衡工况下,平衡方程式(2-1)变为
(2-5)
式(2-5)减式(2-1)得
(2-6)
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
(2-7)
于是式(2-6)可化为
(2-8)
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
(2-9)
Laplace变换得:
(2-10)
假设液位的初始值为,代入数据得单容水箱系统的数学模型
(2-11)
被控对象传递函数为
(2-12)
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
图3单容水箱系统传递函数方框图
3单闭环控制系统设计
3.1比例控制系统设计
图4比例控制仿真图
(1)、理论整定方法:
广义被控对象为
令,根据频率特性法Error!
Referencesourcenotfound.整定控制器的参数得
(3-1)
则由式(3-1)解得,再由,可得到理论整定值。
(2)、工程整定方法:
采用衰减曲线法Error!
调整参数,令,得系统衰减振荡曲线
Ts
y1
图5系统衰减振荡曲线P=-200
由系统衰减振荡曲线得
由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度、积分时间和微分时间的整定值,结果如Error!
Referencesourcenotfound.所示:
表1衰减曲线法参数整定计算表
衰减率
整定参数
调节规律
0.75
P
-0.005
PI
-0.006
1.38
PID
-0.004
0.828
0.276
(3)、性能指标:
在t=15s,加入扰动,得到仿真曲线如附图1所示。
将波形数据通过“ToWorkspace”输出到Matlab工作区进行计算,可得时,该比例控制系统的性能指标如下:
衰减率:
最大动态偏差:
8.0481
残余偏差:
-0.9018
调节时间:
6s
绝对误差积分IAE:
3.7569
结论:
有差控制,对小的干扰由较好的抑制作用,能够在较短的时间内达到新的稳态值。
3.2积分控制系统设计
令,根据频率特性法整定控制器的参数得
(3-2)
则由式(3-2)可解得,再由,可得到(积分速度),进而可计算出积分时间理论整定值。
(2)、性能指标:
积分控制系统仿真框图:
图6积分控制仿真图I=-1/20
对积分控制系统进行参数整定:
;
,得仿真曲线如下图所示。
由仿真曲线可知,积分控制最终能实现无静差控制,但系统振荡频率低,超调量很大(约为190cm),调节时间很长(约为5000s),因此单独使用积分控制,系统性能较差。
图7积分控制仿真图I=-1/20,Qd=0
在时加入扰动,得仿真曲线:
由图可知,系统能抑制阶跃扰动,实现无静差控制,但超调量很大,调节时间很长。
图8积分控制仿真图I=-1/20,Qd=5000cm3
3.3比例-积分控制系统设计
图9PI控制仿真框图
(1)、
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- 水箱 控制系统 设计