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

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双容水箱液位串级控制 机电与汽车工程学院 电气工程与自动化 631224060430 颜 馨 李斌、张霞

2014/12/30

目录

0摘要 ....................................................................... 2 1引言 ....................................................................... 2 2对象分析和液位控制系统的建立 ............................................... 2

2.1水箱模型分析 ......................................................... 2 2.2阶跃响应曲线法建立模型 ............................................... 3 2.3控制系统选择 ......................................................... 3

【2】

2.3.1控制系统性能指标 ............................................. 3 2.3.2方案设计 ....................................................... 4 2.4串级控制系统设计 ..................................................... 4

2.4.1被控参数的选择 ................................................. 4 2.4.2控制参数的选择 ................................................. 5 2.4.3主副回路设计 ................................................... 5 2.4.4控制器的选择 ................................................... 5

3 PID控制算法 ............................................................... 6

3.1 PID算法 ............................................................. 6 3.2 PID控制器各校正环节的作用 .......................................... 6 4 系统仿真................................................................... 7

4.1.1系统结构图及阶跃响应曲线 ....................................... 7 4.2.1 PID初步调整 .................................................. 10 4.2.2 PID不同参数响应曲线 .......................................... 12 4.3.1 系统阶跃响应输出曲线 .......................................... 17

5加有干扰信号的系统参数调整 ................................................ 20 6心得体会 .................................................................. 22 7参考文献 .................................................................. 22

0摘要

液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制，比如锅炉液位，水箱液位等。针对水箱液位控制系统，建立水箱模型并设计PID控制规律，利用Matlab仿真，整定PID参数，得出仿真曲线，得到整定参数，控制效果很好，实现了水箱液位的控制。

关键词：串级液位控制；PID算法；Matlab；Simulink

1引言

面液位控制可用于生产生活的各方面。如锅炉液位的控制，如果液位过低，可能造成干烧，容易发生事故；炼油过程中精馏塔液位的控制，关系到产品的质量，是保障生产效果和安全的重要问题。因而，液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景。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。选择进水阀门为执行机构，基于Matlab建模仿真，采用PID控制算法，整定PID参数，得出合理控制参数。

2对象分析和液位控制系统的建立

2.1水箱模型分析

现以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构成传统液位串级控制系统，其结构原理图如图1所示。

图1 双容水箱液位控制示意图

系统主要由调节器LC1、副调节器LC2、调节阀、上水箱、下水箱、压传感器LT1和LT2等组成。利用水泵将储水槽中的水输出，通过电动调节阀调节上水位进水流量，使下水箱液位保持恒定。 2.2阶跃响应曲线法建立模型

阶跃响应是指输入变量的变化引起的系统时间响应，可测定系统的阶跃响应，从而拟合系统传递函数。系统通过泵供水，首先手动调节阀开度，改变水箱液位给定量，相当于施加了输入量的阶跃变化，从而得到响应曲线。

【1】即上水箱的传递函数为：

G(s)?0.519?5se （2-1）

108s?10.461?10se （2-2）

100s?1下水箱的传递函数为：

G(s)?

图2水箱模型测定原理图

2.3控制系统选择

2.3.1控制系统性能指标

【2】

（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以后，波动幅度衰减的百分数。为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在0.75-0.9；

（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。

2.3.2方案设计

由于实验用水箱外部干扰较多，且波动也较明显，干扰变化剧烈，所以本设计采用串级控制方案。串级控制可获得中间变量，并且可组成副反馈回路，这样可以对影响中间变量的干扰进行提前调节，对从副回路进入的干扰有较强的调节能力，改善系统的动态特性，还能减小系统的时间常数，对操作情况有较强的适应能力，从而使整个系统的控制效果得到改善，采用液位-液位串级控制系统【3】

设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每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，它的输出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，实现无差调节，并且使系统具有良好的动态性能，较快的响应速度。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，使主回路控制加强。

图3 串级控制系统框图

2.4串级控制系统设计

2.4.1被控参数的选择