双容水箱液位串级控制系统

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1、一、设计题目双容水箱液位流量串级控制系统设计二、设计任务如图所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。系统示意图三、设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种。由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1)副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)液位传感器传递函数为Gm1

2、=1/(0.1s+1)控制器：流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)单回路闭环系统的建模如图：双容水箱单闭环实施方案如图：串级控制系统框图如图：双容水箱液位流量串级系统实施方案如图：四、设计内容1单回路PID控制的设计无干扰情况下：先对控制对象进行PID参数整定，采用衰减曲线法，衰减比为10:1.1、将MATLAB中I参数调为0，K为较小值。2、待系统稳定后，做阶跃响应，阶跃响应如下图：周期Ts=34s，K=403、根据衰减曲线法整定计算公式，得K1=50，Ti=68s4、使用以上PID整定参数得到阶跃

3、响应曲线如下：观察可知，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。现用控制变量法，分别改变P、I、D参数。1、保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：2、保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，阶跃响应曲线如下：观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大。由此可见，单回路控制系统，在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能。2串级控制系统的设计主控制器的选择：选用PI控制规律副控制器的选择：选用P控制规律采用一步整定法（1）

4、在系统纯比例作用的情况下，根据K02/δ2=0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2，并将其设置在副回路调节器上。（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数，（3）改变给定值，观察被控量的相应曲线，根据主调节器的放大系数K1和副调节器放大系数K2匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数T1，就可以了。根据下表，可以大致确定副控制器比例带和增益Kc2先选择Kc2=3.5然后在副

5、回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动，观察输出响应衰减过程，直到10：1衰减过程为止，根据δs和TS，由下表的经验公式，就可计算出调节器的预整定的参数值。有噪声时，MATLAB仿真如图无噪声时，系统阶跃响应如图：比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，缩短了调节时间。向系统中加入噪声，观察不同P、I条件下的系统阶跃响应曲线：P=20I=1P=45I=2观察以上曲线可知，当副回路控制器，调节

6、时间都有所缩短，系统快速性增强了，在干扰作用下，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更小。五、设计总结六、通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：1、了解常过程控制的原理和应用，了解了建模的方法2、培养具有综合应用相关知识来解决实际问题；3、培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。