双容水箱液位控制 开题研究报告.docx
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双容水箱液位控制开题研究报告
双容水箱液位控制开题研究报告
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自动控制系统课程设计
双容水箱系统
——开题报告
学校:
北京工业大学
学院:
电控学院
专业:
自动化
班级:
组号:
第五组
组员:
实验日期:
指导教师:
1、绪论…………………………………………………………………2
2、研究对象的数学模型及特性分析…………………………………3
3、控制系统的性能指标要求………………………………………5
4、控制器的选择与控制方案的设计与仿真………………………6
5、拟采用的实验步骤及理想的实验曲线…………………………15
6、模型参数获取的实验设计………………………………………17
7、附录…………………………………………………………………19
1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。
2、研究对象的数学模型及特性分析
在控制系统设计工作中,需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。
被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。
被控对象的数学模型(动态特性)是指过程在各输入量(包括控制量和扰动量)作用下,其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。
在液位串级控制系统中,我们所关心的是如何控制好水箱的液位。
上水箱和下水箱是系统的被控对象,必须通过测定和计算他们模型,来分析系统的稳态性能、动态特性,为其他的设计工作提供依据。
上水箱和下水箱为过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱,另有不锈钢储水箱负责供水与储水。
2.1水箱模型分析
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
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:
图2-4阶跃响应曲线
1)、h2(t)稳态值的渐近线h2(∞);
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,0.32 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。 注意: 在以上对象模型的分析过程中,忽略了泵、进水阀、出水阀等环节对水箱模型的影响,因此水箱特性的实际测试结果,可能与理论分析有一定偏差。 3、控制系统的性能指标要求 双容水箱性能指标要求: (1)衰减率4: 1~10: 1 (2)超调量 (3)调节时间 (4)稳态误差 4、控制器的选择与控制方案的设计与仿真 1、控制器——PID控制原理 目前,随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用,PID控制技术日趋成熟。 先进的PID控制方案和智能PID控制器(仪表)已经很多,并且在工程实际中得到了广泛的应用。 现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的计算机系统等。 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制,简称PID控制,又称PID调节。 PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 图2.1PID控制基本原理图 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(3.1) 控制规律为: 式(3.2) 或以传递函数形式表示: 式(3.3) KP: 比例系数TI: 积分时间常数TD: 微分时间常数。 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。 所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。 特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象,比例积分控制能改善系统在调节过程中动态特性。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容,应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 2、控制方案的设计与仿真 控制方案设计是过程控制系统设计的核心,需要以被控过程模型和系统性能要求为依据,合理选择系统性能指标,合理选择被控参数,合理设计控制规律,选择检测、变送器和选择执行器。 选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作 2.1液位串级控制系统介绍 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,即时地监视或控制容器液位,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。 在液位串级控制系统的设计中采用THJ-2高级过程控制实验系统的实验数据作为基础,展开设计控制系统及工程实现的工作。 串级控制系统从总体上看,是定值控制系统,因此主被控变量在扰动作用下的过度过程和单回路定值控制系统的过度过程,具有相同的品质指标和类似的形式。 但是,串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路,因此,与单回路相比有以下几个优点。 1)串级控制系统对进入副回路的扰动具有较强的克服能力。 2)由于副回路的存在,明显改善了对象的特性,提高了系统的工作频率。 3)串级控制系统具有一定的自适应能力。 除上述优点外串级控制系统在有些场合应用效果显著,它主要应用于以下4中场合。 1)对象的容量滞后比较大。 2)调节对象的纯滞后比较长。 3)系统内存在激烈且幅值较大的干扰作用。 4)调节对象具有较大的非线性特性而且负荷变化较大。 而双容水箱均有上述缺点,因此可以看出串级控制系统很适合应用于双容水箱液位控制系统的设计 2.2系统控制方案设计 2.2.1控制系统性能指标 (1)静态偏差: 系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。 (2)衰减率: 闭环控制系统被施加输入信号后,输出响应中振荡过程的衰减指标,即振荡经过一个周期以后,波动幅度衰减的百分数。 本实验的衰减率要求在4: 1~10: 1. (3)超调量: 输出响应中过渡过程开始后,被控参数第一个波峰值与稳态值之差,占稳态值的百分比,用于衡量控制系统动态过程的准确性。 (4)调节时间: 从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5%—+5%范围所需的时间 2.2.2方案设计 设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成,每一个回路又有自己的调节器和控制对象。 主回路中的调节器称主调节器,控制主对象。 副回路中的调节器称副调节器,控制副对象。 主调节器有自己独立的设定值R,他的输出m1作为副调节器的给定值,副调节器的输出m2控制执行器,以改变主参数c2.通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统,将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值,实现无差调节,并且使系统具有良好的动态性能,较块的响应速度。 当有扰动f1(t)作用于副对象时,副调节器能在扰动影响主控参数之前动作,及时克服进入副回路的各种二次扰动,当扰动f2(t)作用于主对象时,由于副回路的存在也应使系统的响应加快,使主回路控制作用加强。 图2.2串级控制系统框图 (1)被控参数的选择 应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量,又易于测量的参数。 在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数,因为下水箱的液位是整个控制作用的关键,要求液位维持在某给定值上下。 如果其调节欠妥当,会造成整个系统控制设计的失败,且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备,包括直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计等。 (2)控制参数的选择 从双容水箱系统来看,影响液位有两个量,一是通过上水箱流入系统的流量,二是经下水箱流出系统的流量。 调节这两个流量都可以改变液位的高低。 但当电动调节阀突然断电关断时,后一种控制方式会造成长流水,导致水箱中水过多溢出,造成浪费或事故。 所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。 (3)主副回路设计 为了实现液位串级控制,使用双闭环结构。 副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力。 主副回路时间常数之比应在3到10之间,以使副回路既能反应灵敏,又能显著改善过程特性。 下水箱容量滞后与上水箱相比较大,而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题,所以选择主对象为下水箱,副对象为上水箱,。 (4)控制器的选择 根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律。 为了实现液位串级控制,使用双闭环结构,主调节器选择比例积分微分控制规律(PID),对下水箱液位进行调节,副调节器选择比例控制率(P),对上水箱液位进行调节,并辅助主调节器对于系统进行控制,整个回路构成双环负反馈系统。 2.3控制系统仿真 2.3.1MATLAB软件介绍 MATLAB软件是由美国MathWorks公司开发的,是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件,它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业,也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。 MATLAB最早发行于1984年,经过10余年的不断改进,现今已推出基于Windows2000/xp的MATLAB7.0版本。 新的版本集中了日常数学处理中的各种功能,包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。 在MATLAB环境下,用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境,该系统的基本数据结构是复数矩阵,在生成矩阵对象时,不要求作明确的维数说明,使得工程应用变得更加快捷和便利。 MATLAB系统由五个主要部分组成: (1)MATALB语言体系MATLAB是高层次的矩阵/数组语言.具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。 利用它既可以进行小规模编程,完成算法设计和算法实验的基本任务,也可以进行大规模编程,开发复杂的应用程序。 (2)MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称.包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法,以及开发、调试、管理M文件的各种工具。 (3)图形图像系统这是MATLAB图形系统的基础,包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令,也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令,以及开发GUI应用程序的各种工具。 (4)MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称.包括各种初等函数的算法,也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB应用程序接口(API)这是MATLAB为用户提供的一个函数库,使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序,包括从MATLAB中调用于程序(动态链接),读写MAT文件的功能。 MATLAB还具有根强的功能扩展能力,与它的主系统一起,可以配备各种各样的工具箱,以完成一些特定的任务。 MATLAB具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数,MATLAB的控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法;MATLAB的系统辨识工具箱(SystemIdentificationToolbox)可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。 MATLAB的仿真工具箱(Simulink)提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。 它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真,适应线性、非线性系统;连续、离散及混合系统;单任务,多任务离散事件系统。 通过MATLAB中的SIMULINK工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线,以控制框图代替了程序的编写,只需要选择合适仿真设备,添加传递函数,设置仿真参数便可完成系统的仿真。 下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真,以模拟实际中的阶跃响应曲线,考察串级系统的设计方案是否合理。 仿真框图如下。 图2.3SIMULINK仿真框图 在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号,设置主控制器PID参数KP=60TI=50TD=3;副控制器P参数为KP=50,观察阶跃响应曲线如下。 图2.3.1双闭环阶跃响应仿真曲线 将副回路切除即得到单闭环仿真图像。 图2.3.2单闭环阶跃响应仿真曲线 由图2.3.1和图2.3.2相比较可以看出,引入副回路的双闭环串级系统能够更好的提高系统的响应速度,使系统更加的稳定,稳态误差更小。 2.3.2抗扰动能力 维持初始阶跃信号不变,并在副回路中加入扰动信号,观察响应曲线.在100s经过惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号。 控制器参数不变。 图2.3.3加入扰动后的SIMULINK仿真框图 图2.3.4加入扰动后的双闭环阶跃响应仿真曲线 图2.3.5加入扰动后的单闭环阶跃响应仿真曲线 由图2.3.4和图2.3.5可以看出串级控制通过副回路能够很有效的把干扰抑制到最小,能够满足系统各项参数的需要,同时也解决了双容水箱大滞后的缺点,使系统稳定快速的运行,同时也进一步验证了选择串级PID来控制双容水箱能够达到比较理想。 5、拟采用的实验步骤及理想的实验曲线 1、实验步骤 (1)系统分析 根据被控对象的数学模型,应用控制理论系统分析的方法,对被控对象的性能进行分析(时域、频域)。 (2)系统设计 根据性能指标的要求,进行系统方案论证,进行相关控制器或控制算法设计。 (3)系统仿真 在MATLAB的Simulink仿真平台下,进行系统仿真,验证控制算法的可行性、抗干扰性以及参数变化对系统的影响。 (4)系统实现 搭建相关控制器或编写相应的控制算法,对所选的物理对象进行实时控制,并进行相关控制器的调试,使系统正常工作时满足性能指标的要求。 (5)系统模型参数的获取 设计相关实验,获取系统模型参数。 (6)参数变化对系统性能的影响 设计实验,获取数据,分析控制参数对系统性能的影响。 2、理想实验曲线 双闭环阶跃响应仿真曲线 加入扰动后的双闭环阶跃响应仿真曲线 6、模型参数获取的实验设计 PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容,应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID控制器参数整定的方法分为两大类: 一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型,经过理论计算确定控制器参数。 由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特,理论计算的参数整定值可靠性不高,还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法,它主要依赖工程经验,直接在控制系统试验中进行控制器参数整定,且方法简单、易于掌握,在工程实际中被广泛采用。 PID控制器参数的工程整定方法,主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。 三种方法都是通过试验,然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 1.临界比例法。 在闭合控制系统中,把调节器的积分时间TI置于最大,微分时间TD置零,比例度δ置于较大数值,把系统投入闭环运行,将调节器的比例度δ由大到小逐渐减小,得到临界振荡过程,记录下此时的临界比例度δk和临界振荡周期Tk。 根据以下经验公式计算调节器参数: 表3.1临界比例整定计算公式 调节器参数 控制规律 δ TI TD P 2δk PI 2.2δk TK/1.2 PID 1.6δk 0.5Tk 0.25Tk 2.阻尼振荡法。 在闭合控制系统中,把调节器的积分时间TI置于最大,微分时间TD置零,比例度δ置于较大数值反复做给定值扰动实验,并逐渐减少比例度,直至记录曲线出现4: 1的衰减为止。 记录下此时的4: 1衰减比例度δ和衰减周期Tk。 根据以下经验公式计算调节器参数: 表3.2阻尼振荡整定计算公式 调节器参数 控制规律 δ TI TD P δS PI 1.2δS 0.5TS PID 0.8δS 0.3TS 0.1TS 3.反应曲线法 若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后,则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。 在调节阀的输入端加一阶跃信号,记录测量变送器的输出响应曲线,并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。 7、附录 附件1: THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台 硬件的组成及使用 一、直流稳压电源 直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。 有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路,每路均有短路保护自恢复功能。 它们的开关分别由相应的钮子开关控制,并由相应发光二极管指示。 其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。 实验前,启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。 并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。 实验时,通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。 二、低频函数信号发生器及锁零按钮 低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成,主要输出有正弦波信号、三角波信号、方波信号、斜波信号和抛物波信号。 输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。 其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz~3.3Hz、2.5Hz~86.4Hz、49.8Hz~1.7kHz、700Hz~10kHz三档,Vp-p值为16V。 使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置,并根据需要选择合适的波形及频率的档位,然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器,以得到所需要的频率和幅值,并通过2号连接导线将其接到需要的位置。 另外本单元还有一个锁零按钮,用于实验前运放单元中电容器的放电。 当按下按钮时,通用单元中的场效应管处于短路状态,电容器放电,让电容器两端的初始电压为0V;当按钮复位时,单元中的场效应管处于开路状态,此时可以开始实验。 三、阶跃信号发生器 阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号,其输出电压范围为-5~+5V,正负档连续可调。 使用时根据需要可选择正输出或负输出,具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。 当按下自锁按钮时,单元的输出端输出一个连续可调(选择正输出时,调RP1电位器;选择负输出时,调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时,即为单位阶跃信号),实验开始;当按钮复位时,单元的输出端输出电压为0V。 注: 单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。 四、低频频率计 低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的,具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。 其测频范围为: 0.1Hz~10.0kHz。 低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。 使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置,然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。 另外本单元还有一个复位按钮,以对低频频率计进行复位操作。 注: 将“内测/外测”开关置于“外测”时,而输入接口没接被测信号时,频率计有时会显示一定数据的频率,这是由于频率计的输入阻抗大,灵敏度高,从而感应到一定数值的频率。 此现象并不影响内外测频。 五、交/直流数字电压表 交/直流数字电压表有三个量程,分别为200mV、2V、20V。 当自锁开关不按下时,它作直流电压表使用,这时可用于测量直流电压;当自锁开关按下时,作交流毫伏表使用,它具有频带宽(10Hz~400kHz)、精度高(±5‰)和真有效值测量的特点,即使测量窄脉冲信号,也能测得其精确的有效值,其适用的波峰因数范围可达到10。 六、通用单元电路 通用单元电路具体见实验平台的U1、U2、U4~U18单元。 这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器
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