自动控制课程设计双容水箱液位串级控制.docx
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自动控制课程设计双容水箱液位串级控制
自动控制课程设计课程名称:
双容水箱液位串级控制
学院:
机电与汽车工程学院
专业:
电气工程与自动化学号:
631224060430
姓名:
颜馨
指导老师:
李斌、张霞
2014/12/30
0
纲要.......................................................................
2
1
前言.......................................................................
2
2
对象剖析和液位控制系统的成立...............................................
2
水箱模型剖析.........................................................
2
阶跃响应曲线法成立模型...............................................
3
控制系统选择.........................................................
3
【2】
3
控制系统性能指标.............................................
方案设计.......................................................
4
串级控制系统设计.....................................................
4
被控参数的选择.................................................
4
控制参数的选择.................................................
5
主副回路设计...................................................
5
控制器的选择...................................................
5
3PID控制算法...............................................................
6
PID算法.............................................................
6
PID
控制器各校订环节的作用..........................................
6
4
系统仿真...................................................................
7
系统构造图及阶跃响应曲线.......................................
7
PID
初步伐整..................................................
10
PID
不一样参数响应曲线..........................................
12
系统阶跃响应输出曲线..........................................
17
5
加有扰乱信号的系统参数调整................................................
20
6
心得领会..................................................................
22
7
参照文件..................................................................
22
纲要
液位控制是工业生产以致平时生活中常有的控制,比方锅炉液位,水箱液位等。
针对水箱液位控制系统,成立水箱模型并设计PID控制规律,利用Matlab仿真,整定PID参数,得出仿真曲线,获取整定参数,控制成效很好,实现了水箱液位的控制。
重点词:
串级液位控制;PID算法;Matlab;Simulink
前言
面液位控制可用于生产生活的各方面。
如锅炉液位的控制,假如液位过低,可能造成干烧,简单发惹祸故;炼油过程中精馏塔液位的控制,关系到产品的质量,是保障生产成效和安全的重要问题。
因此,液位的控制拥有重要的现实意义和宽泛的应用远景。
本文针对双容水箱,以下水箱液位为主控制对象,上水箱为副控制对象。
选择进水阀门为履行机构,鉴于Matlab建模拟真,采纳PID控制算法,整定PID参数,得出合理控制参数。
对象剖析和液位控制系统的成立
水箱模型剖析现以下水箱液位为主调理参数,上水箱液位为副调理参数,构成传统液位串级控制系统,其构造原理图如图1所示。
图1双容水箱液位控制表示图
系统主要由调理器LC1、副调理器LC2、调理阀、上水箱、下水箱、压传感器LT1和LT2等构成。
利用水泵将储水槽中的水输出,经过电动调理阀调理上水位进水流量,使下水箱液位保持恒定。
阶跃响应曲线法成立模型阶跃响应是指输入变量的变化惹起的系统时间响应,可测定系统的阶跃响应,从而拟合系统传达函数。
系统经过泵供水,第一手动调理阀开度,改变水箱液位给定量,相当于施加了输入量的阶跃变化,从而获取响应曲线。
即上水箱的传达函数为:
【1】
G(s)
e5s
(2-1)
108s
1
下水箱的传达函数为:
G(s)
e10s
(2-2)
100s
1
图2水箱模型测定原理图
控制系统选择
【2】
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测参数稳态值之差;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此后,颠簸幅度衰减的百分数。
为了保证系统足够的稳固程度,一般衰减率在;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,用于权衡控制系统动向过程的正确性;(4)调理时间:
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。
方案设计因为实验用水箱外面扰乱许多,且颠簸也较显然,扰乱变化强烈,所以本设计采纳串级控制方案。
串级控制可获取中间变量,并且可构成副反应回路,这样能够对影响中间变量的扰乱进行提早调理,对从副回路进入的扰乱有较强的调理能力,改良系统的动向特征,还可以减小系统的时间常数,对操作状况有较强的适【3】
应能力,从而使整个系统的控制成效获取改良,采纳液位-液位串级控制系统设计成立的串级控制系统由主副两个控制回路构成,每个回路又有自己的调理器和控制对象。
主回路中的调理器称主调理器,控制主对象。
副回路中的调理器称副调理器,控制副对象。
主调理器有自己独立的设定值R,它的输出m1作为副调理器的给定值,副调理器的输出m2控制履行器,以改变主参数c2。
经过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统,将使系统的输出响应在稳态时,系统的被控制量等于给定量,实现无差调理,并且使系统拥有优秀的动向性能,较快的响应速度。
当有扰动f1(t)作用于副对象时,副调理器能在扰动影响主控参数以前动作,实时战胜进入副回路的各样二次扰动,当扰动f2(t)作用于主对象时,因为副回路的存在也应使系统的响应加速,使主回路控制增强。
图3串级控制系统框图
串级控制系统设计
被控参数的选择
应选择被控过程中能直接反应生产过程中产品产量和质量,又易于丈量的参数。
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重点,要求液位保持在某给定值上下。
假如调理不妥,会造成整个系统控制设计的失败,且此刻关于液位的丈量有成熟的技术和设施,包含值读式液位计、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。
控制参数的选择从双容水箱系统来看,影响液位有两个量,一是经过上水箱流入系统的流量,二是经下水箱流出系统的流量。
调理这两个量都能够改变液位的高低。
但当电动调理阀忽然断电关断时,后一种控制方式会造成长流水,致使水箱中水过多溢出,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。
主副回路设计为了实现液位串级控制,使用双闭环构造。
副回路应关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克制能力与必定的自适应能力。
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敏捷,又能明显改善过程特征。
下水箱容量滞后与上水箱对比较大,并且控制下水箱液位是系统设计的中心问题,所以选择主对象为下水箱,副对象为上水箱。
控制器的选择依据双容水箱液位系统的过程特征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,使用双闭环构造,主调理器选择比率积分微分控制规律(PID),对下水箱液位进行调理,副调理器选择比率控制率(PI),对上水箱液位进行调理,并协助主调理器对系统进行控制,整个回路构成双环负反应系统。
3PID控制算法
图4PID控制基来源理图
比率
r(t)
e(t)
u(t)
y(t)
积分
被控对象
PID算
法
微分
PID器构造简稳固性好、安全靠谱、调整方便,是当前采纳最多的控制方法之一。
控制单、PID控制就
是依据系统的偏差,利用比率、积分、微分计算出控制量进行控制。
其算法为:
4】PID控制器是一种线性负反应控制器,依据给定值r(t)与实质值y(t)构成控制偏差:
e(t)r(t)y(t)
PID控制规律为:
m(t)KPe(t)
KP
t
e(t)dt
KP
de(t)
TI
0
dt
PID控制器的传达函数为:
M(s)
1
1
Gc(s)
E(s)
KP(1
TIs
s)KPKIs
KDs
式中,KP为比率系数,
TI为积分常数,
为微分时间常数,
KI
KP为积分系数,
TI
KDKP为微分系数。
PID控制器各校订环节的作用
(1)比率控制(P):
比率控制是一种最简单的控制方式。
其控制的输出与偏差信号成比率关系,能较快战胜扰动,使系统稳固下来。
当仅有比率控制时系统输出存在稳态偏差。
积分控制(I):
在积分控制中,控制器的输出与偏差信号的积分红正比关系。
对一个自动控制系统,假如在进入稳态后存在稳态偏差,则称此控制系统是有差系统。
为了除去稳态偏差,在控制器中步序引入“积分项”。
积分项对偏差的积累取决于时间的积分。
跟着时间的增添,积分项会越大。
这样,即便偏差很小,积分项也会跟着时间的增添而加大,它推进控制器的输出增大使稳态偏差进一步减小,直到等于零。
可是过大的积分速度会降低系统的稳固程度,出现发散的振荡过程。
比率+积分(PI)控制器,能够使系统在进入稳态后无稳态偏差。
微分控制(D):
在微分控制中,控制器的输出与偏差信号的微分(即偏差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在战胜偏差的调理过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原由是因为存在有较大惯性环节或有滞后环节,拥有克制偏差的作用,其变化老是落伍于偏差的变化。
所以在控制器中仅引入“比率”项常常是不够的,比率+微分的控制器,就能提早克制偏差的控制作用等于零,甚至为负值,从而防止被控量严重超调。
只有三者协调作用,才能达到满意的控制成效。
所以,参数整定至关重要。
系统仿真
经过MATLAB中的SIMULINK工具箱能够动向的模拟系统的响应曲线,以控制框图取代了程序的编写,只需要选择适合仿真设施,增添传达函数,设置仿真参数。
下边依据前文的水箱模型传达函数对串级控制系统进行仿真,以模拟实质中的阶跃响应曲线,观察串级系统的设计方案能否合理。
未校订系统的稳固性
系统构造图及阶跃响应曲线
依据未校订系统的开环传达函数能够画出系统的构造图。
系统构造图如图5所示。
我们也用MATLAB中的工具SIMULINK画出系统的构造图,同时仿真获取响应的阶跃响应曲线。
未校订系统的阶跃响应曲线如图6所示。
图5未校订系统构造图图6未校订系统的阶跃响应曲线从图6未加校订双容水箱水位控制系统阶跃响应曲线能够看出系统不稳定。
绘制Bode、Nyquist图
编写程序:
n1=0.519;d1=[1081];g1=tf(n1,d1,'inputdelay',5);%上水箱开环传达函数g01=feedback(g1,1);%上水箱闭环传达函数n2=0.461;d2=[1001];g2=tf(n2,d2,'inputdelay',10);%下水箱传达函数gc=g01*g2%串级控制系统开环传达函数figure
(1)bode(gc)%bode图figure
(2)nyquist(gc)figure(3)step(feedback(gc,1))%单位负反应系统阶跃响应
0
-50)
B
d
(-100
e
d
tui
n
g-150
a
M-200-250x100
)
g
e
d
(
e
sa
h
P
BodeDiagram
6
-4
-2
10
0
2
4
10
10
10
10
Frequency
(rad/s)
图7未校订的NyquistDiagram
s
i
x
A
y
r
0
a
n
i
g
a
m
I
0
-1
RealAxis系统的Bode图
图8未校订系统的Nyquist图
e
d
u
til
p
m
00
System:
untitled1
Peakamplitude:
Overshoot(%):
System:
untitled1StepResponseAttime(seconds):
676
Settlingtime(seconds):
405System:
untitled1Finalvalue:
System:
untitled1Risetime(seconds):
234100200300400500600700Time(seconds)
图9未校订系统的单位阶跃响应曲线由图7、8、9也能够看出系统处于非稳固状态。
加控制器后的稳固性PID初步伐整
图10校订后的双容水箱液位串级控制系统构造图
图11副回路PID参数图12主回路PID参数
图13副回路输出曲线图14串级PID控制系统的阶跃响应曲线从SIMULINK仿真的系统单位阶跃响应曲线能够看出我们所设计的串连PID校订已使系统达到稳固。
下边我们将求出阶跃系统响应的动向性能指标的详细值。
PID不一样参数响应曲线主回路控制器不一样参数的调整响应曲线:
状况一:
状况二:
副回路控制器不一样参数的调整响应曲线:
状况一:
状况二:
校订后系统输出动向性能
为了方便查察校订后系统输出动向性能,本文将采纳初步设定的PID参数值,即
主回路KP5,KI,KD0;副回路KP10,KI
,KD
0,运用
Matlab编程,绘制加了PID控制器后系统的阶跃响应输出曲线,
Bode图及
Nyquist图,并对未加校订和加校订的系统进行比较。
系统阶跃响应输出曲线
t=0:
0.01:
500;num=0.519;den=[1081];g01=tf(n1,d1,'inputdelay',5);%上水箱传达函数kp1=10;ki=0.05;kd=0;%副回路PID控制器参数s=tf('s');Gc1=kp1+ki*1/s;g1=feedback(g01*Gc1,1);%副回路加PID控制器后的闭环传达函数kp2=5;ki2=0.07;kd2=0;%主回路PID控制参数num2=0.461;den2=[1001];g02=tf(n2,d2,'inputdelay',10);s=tf('s');Gc2=kp2+ki*1/s;GO=g1*Gc2*g02%PID串级系统开环传达函数g2=feedback(GO,1)%PID串级系统闭环传达函数figure
(1)step(g2,':
',t)%加PID控制器的串级控制系统阶跃响应figure
(2)bode(GO)figure(3)nyquist(GO)
System:
g2
Peakamplitude:
Overshoot(%):
StepResponse
Attime(seconds):
124
1
System:
g2
System:
g2
Settlingtime(seconds):
192
System:
g2
Finalvalue:
1
Risetime(seconds):
e
d
tuil
p
m
0
050100150200250300350400450500
50
)
0
B
d
(
e
d
u
-50
t
i
n
g
a
M
-100
-150x100)
g
e
d
(
e
s
a
h
P
Time(seconds)
图15校订后的串级控制系统阶跃响应曲线
BodeDiagram4
-3
-2
-1
0
1
2
10
10
10
10
10
10
Frequency
(rad/s)
图16校订后系统的Bode图
NyquistDiagram2015105
si
x
A
ry
a0
ni
g
a
m
I
-5
-10
-15
-20
-1
0
RealAxis图17校订后系统的Nyquist图
结论剖析
比较图7和图16,图8和图17,图9和图15,不难发现加了PID控制器系统的性能获取必定的提高,假如想获取更好的性能指标,需要进一步伐整主副回路PID控制器的参数。
现本设计就针对以上仿真结果列出下表,以更为清楚对照加校订前后系统的指标变化。
表1
校订前后系统指标比较
指标
超调量
峰值
上涨时间/s
峰值时间/s
调整时间/s
终值
未加校订
0.
5
加PID
124
192
1
由表格数据剖析PID控制前后系统动向性能和稳态性能,调理时间由405s降到192s,上涨时间由234s降到,迅速性比较好。
加PID控制器后终值稳固在1。
可是系统超调量增添。
PID在生产生活中的应用十分宽泛,因为PID控制拥有易于调理,工作稳固,相对简单等长处。
本文经过对双容水箱串级PID控制显现了PID控制器的优弊端及一些特征。
经过本文实例不难看出,加了PID控制器的性能较好,系统追踪参照输入信号能力强、调理时间短。
PID引入微分先行后能够使超调量减小从而缩短调理时间,达到“快”的特征,而此次显现动向性能的弊端就在于没有将微分控制器加入系统进行调试,还有就是没考虑加入扰乱信号后的仿真调试。
加有扰乱信号的系统参数调整加有扰乱信号的双容水箱液位串级控制系统构造图副回路PID调整:
主回路PID参数调整:
心得领会
此次课程设计,得益匪浅。
整个过程碰到好多的问题和挑战,最大的问题就是对MATLAB软件及其SIMULINK工具箱的不认识。
同时也让我认识到自己的不足。
此外让我感想最深的
就是,凡是仅靠自己的能力是不可以的,要合时向老师和同学讨教,发挥不耻下问的精神才能
收获更多的知识,才能从更广的面提高各方面的能力。
每件事都有它自己的作用,每件事都应当尽全力去做,不追求完满,但起码让自己有所
收获。
刚开始我非常排挤此次课程设计,以为自己根本不可以能达成,在一步一步战胜困难后,终于仍是达成本次设计。
固然过程不是很美好,但结果我仍是很满意的,毕竟这么一篇论文
出自我之手,即便不甚完满,宽慰也仍是有的。
总之很感谢此次课程程设计,教会我如何将
理论更好的用实质去论证,教会我理解“凡是开头难,只需坚持,任何事都不是事”!
[3]参照文件[1]董学勤,叶高奇.鉴于PID算法液位控制系统的设计[J],,2012年第3期.[2]邵裕森.过程控制工程[M].北京:
机械工业第一版社,2004.梅晓榕.自动控制原理[M].北京:
科学第一版社,2013.
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