1、xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 1 页装订线xxxx 大 学课 程 设 计 说 明 书题目名称 双 容 液 位 控 制 系 统 院（系） 电子信息工程学院 专业（班级） 自动化四班 学生姓名 指导教师 xxx 起止日期 2013.06.03-2013.06.14 xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 2 页装订线目录1. 设计题目 32. 设计任务 33. 设计要求 34.设计任务分析 35.设计内容 45.1 双容、多容水箱系统的数学建模 45.1.1 双容、多容水箱系统机理模型 .45.1.2 双容、多容水箱系统模型的参数辨识 .55.2 双容、多容水箱系统数学建模的仿真
2、 75.2.1 控制系统仿真环境 75.3 双容、多容水箱系统数学建模的参数整定 105.3.1 PID 控制算法的参数整定 105.4 双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析 135.5 运用力控组态软件对系统进行设计分析 165.5.1 I/O 点收集及表单 165.5.2 创建实时数据库 175.5.3 制作双容液液位控制系统主画面 .185.5.4 力控控制策略的运用 196 实习心得 21参考文献 .22xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 3 页装订线1. 设计题目双容水箱液位前馈反馈控制系统设计。2. 设计任务图 1 所示双容水箱液位系统，由水泵 1、2 分别通过支路 1
3、、2 向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计前馈反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。变 频泵 2泵 1第 二 支 路引 入 干 扰第 一 支 路图 1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求1) 上下水箱高都约为 16m，具体几何尺寸不详，需仿真实验建模；2) 进水量最大为 16 平方米/小时，调节阀前后压差最大为 3.2Mpa；3) 进水量的扰动为主要扰动。4.设计任务分析1） 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运 10s 后施加的均值为 0、方
4、差为 0.01 的白噪声） ；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中 PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、 D 各参数整定的依据如何） ，对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计前馈反馈控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 4 页装订线5.设计内容1、根据流程控制自动化技术工程实训的实验获得的对象广义传递函数，建立 Simulink 仿真模型。2、建立双容液位闭环控制系
5、统及流量前馈液位反馈控制系统仿真模型。3、采用传统的理论分析法，结合仿真实验整定 PID 控制器的参数，绘制仿真结果曲线。4、采用 Simulink 控制系统设计工具箱 SISO Design Tool 设计和优化 PID控制器的参数，绘制仿真结果曲线。5、结合工程实训，比较实际系统行为与仿真结果的偏差，分析仿真结果。5.1 双容、多容水箱系统的数学建模5.1.1 双容、多容水箱系统机理模型同对单容水箱系统进行机理建模一样，首先要先简化系统结构，以双容水箱系统为例。见图 5.1.1。Q3阀3阀2阀 1Q2h1h00Q1h2图 5.1.1 双容水箱系统结构根据物料平衡关系，列出增量方程xxx 大
6、 学 课程设计纸共 22 页 第 5 页装订线其中， 、 为流过阀 1、阀 2、阀 3 的 流量； 、 为上水箱、下水箱的液位高度； 、 为上、下水箱的液容系数； 、 为阀 2、阀 3 的液阻。对式（5.1） （5.2） （5.3） （5.4）联立，进行拉氏变换，整理后得到 式中 为上水箱过程时间常数， ； 为下水箱过程时间常数，。另外，若上、下水箱之间的管道过长存在时延 ，则此时传递函数多一个滞后环节，为由此推及，若 n 个水箱级联，其传递函数应为式中 为总放大系数。上式为无时延过程，下式为有时延过程。5.1.2 双容、多容水箱系统模型的参数辨识通过机理建模可以得知多容水箱的传递函数为我们可
7、以通过对单个水箱进行特性测试的方法，得到各个水箱的过程时间常数及时延 ，再由求得 、 即可。对于本实验的双容水箱系统，还可以用两点法确定相关参数。由于本实验系统的各水箱连接管道很短，并且管径很大，故时延很小，用两点法更为方便、准确。的确定方法同（5.8） 。 、 采用两点法。系统阶跃相应为xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 6 页装订线利用阶跃相应上两个点的数据 和 确定 、 。不妨取及 两点，从下图得出相应的 、 。O t2t1 t图 5.1.2 双容水箱阶跃相应曲线联立方程得到近似解通过实验，求得该双容系统为二阶系统， ， ， ，。由此，求得该系统双容水箱系统的闭环控制框图为U(s
8、)图 5.1.3 闭环控制框图至此，系统的模型就建立完成了。R(s)xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 7 页装订线5.2 双容、多容水箱系统数学建模的仿真5.2.1 控制系统仿真环境5.2.1.1 MATLAB 简介计算机仿真是对控制系统进行科学研究的重要手段。通过计算机仿真来对比各种控制策略和方案，优化并确定相关参数，以获得最佳控制效果，是多年来控制系统设计尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技术。MATLAB 是 Math Works 公司于 1984 年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值计算，矩阵运算，信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的，界面友好的用户环境
9、。由各个领域的专家相继推出了 MATLAB工具箱，其中主要有信号处理(signal processing)、控制系统 (control system)、神经网络(neural network)、模糊逻辑(fuzzy logic)、图像处理( image processing)、小波(wavelet)等工具箱 13。本文主要是利用了 SIMULINK 工具箱和 M 文件。5.2.1.2 SIMULINK 仿真环境SIMULINK 是 MATLAB 环境下的模拟工具，提供了很方便的图形化功能模块，以便连接一个模拟系统，简化设计流程，减轻设计负担。此外，SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模
10、、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。SIMULINK 为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，包含有(Sink)输出方式、(Source)输入源、(Linear)线性环节、(Nonlinear)非线性环节、(Connectors)连接与接口、(Extra)其他环节子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，还也可以定制和创建自己的模块 13。5.2.1.3 双容、多容水箱系统的仿真分析上面讨论了系统的建模方法并实际测得了水箱液位控制的传递函数。在设计控制器之前，先要对系统进行 MATLAB 仿真，得到较平滑精确的曲线，对其进行稳定性分析，进
11、而明确设计的方向。在此基础上，还要分析系统的动态、稳态性能，从而明确所设计控制器期望达到的控制质量。以典型的多阶系统二阶系统为例进行分析。上面，已经求得双容水箱液位控制系统的开环传递函数为从（5.13）表达式来看，双容水箱系统为具有纯时延环节的二阶系统。但注意到纯时延环节的时间系数 ，相对于 、 来说极小。因此可以将纯时延环节 用一个惯性环节来等价，即用式来替代，代入式（5.13） ，可得到等价的开环传递函数：xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 8 页装订线进而得到该系统的闭环传递函数将（5.15）进行改写，写成零极点形式从式（5.16）中，可以得到三个闭环极点-1.006、 和。由于
12、-1.006 较 两个极点而言距离虚轴较远，大于两个共轭极点距虚轴距离的 6 倍。因此该系统的衰减余弦项为两个主导极产生，所以可以进而将系统退变成由两个主导极点为闭环极点的二阶系统。根据近似的二阶闭环传递函数，取 、 ，得到系统的近似开环传递函数其阶跃响应曲线如图 5.2 所示。 （5.13）式与（5.17）式表达的传递函数响应曲线误差如图 5.3 所示。图 5.2 双容水箱液位开环响应xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 9 页装订线图 5.3 近似传递函数与原传递函数误差首先，从误差曲线看出，该近似二阶系统完全可以准确近似地表示原传递函数表示的系统。从开环阶跃曲线图可以看出，该二阶系
13、统是自衡系统，并且是无时延系统，并且这与实际测得的曲线趋势基本吻合。但系统的响应过程很慢，通常要很长时间才能达到平衡。下面再看系统的闭环曲线。该二阶系统的闭环传递函数为其单位阶跃响应曲线如图 5.4 所示图 5.4 双容水箱液位闭环响应从图上标示可以看到该系统稳态特性及动态特性的相关参数：超调量,调节时间 ,稳态值为 0.844。从测得的参数不难看出系统的超调量虽然偏大，动态特性勉强符合要求，但由于系统存在的静差，并且误差较大，那么在实际工业生产中就很难符合工艺要求。另外，水位上升到终值并且达到误差小于 5%的调节时间较长，即达到稳定需要的时间较长，这在我们的设计中也是要尽量改进的。通过对原系
14、统进行分析，确定滑模便结构控制器的基本方向如下：(1) 设计后的系统地超调量尽可能减小；(2) 系统无静差，严格跟踪输入量；(3) 调节时间尽可能缩短；(4) 在满足上述条件前提下尽可能削弱抖震。xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 10 页装订线5.3 双容、多容水箱系统数学建模的参数整定5.3.1 PID 控制算法的参数整定PID 控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控制是历史最悠久、控制性能较强的基本调节方式。PID 控制原理简单，易于整定，使用方便。因此按照 PID 控制性能工作的各类调节器广泛应用于工业生产部门。另外，PID 的控制性能指标对于
15、受控对象特性的稍许变化不很敏感，能一定程度上保证调节的有效性，故 PID 控制仍然是最广泛应用的基本控制方式。在 PID 控制算法中，控制作用由比例、积分、微分 3 种基本控制环节组成。这 3 种控制作用的特点如下：1. 比例控制作用：系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被 PID 控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数 Kp。缺点是对于具有自衡能力的被控对象存在静差。加大 Kp 可减小静差，但 Kp 过大，会导致系统的超调增大，使系统的动态性能变差。2. 积分控制作用对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使
16、被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。3. 微分控制作用的特点通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。根据被控对象的不同，适当地调整 PID 参数，可以获得比较满意的控制效果。调节器参数整定的方法很多，但总体说来可以归结成为两大类：一是通过理论计算进行整定；二是工程整定方法。理论计算整定方法是依据系统的数学模型，采用控制理论的根轨迹法、频率特性法等，经过理论计算确定调解器的参数值，但这种方法过分依赖数学模型，计算繁琐，且得到的计算数据未必可以直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
17、故理论计算整定方法只是提供理论指导，工程中很少应用。工程整定方法依靠工程经验，直接在实验过程中进行整定，且方法简单、实用。工程整定方法主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。这里采用衰减曲线法进行整定。PID 调解器的动作规律为xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 11 页装订线或写成式中， 为比例带， 为积分时间常数， 为微分时间常数。首先，先置积分时间 ，微分时间 ，比例带 置较大数值，即将控制器设置为纯比例环节投入运行。然后，待系统稳定后，加入阶跃输入信号，观察系统响应。若系统响应振荡衰减太快，就减小比例带；反之增大比例带。如此反复直到出现衰减比为4：1 的振荡过程，记下此时的
18、 （设为 ）以及衰减振荡周期（第一个波峰与第二个波峰之间的时间差） 的值。最后按 ， ， 整定。按上述的方法投入运行，当 （即 ）时，得到衰减比 4：1 的阶跃响应曲线如图 5.5 所示。 图 5.5 衰减比 4：1 的阶跃输出从图上读出衰减振荡周期 ，进而得到整定参数为 （即 ） ， ，。将此参数带入 PID 控制函数，得到控制器传递函数为搭建如图 5.6 的 SIMULINK 方针图进行仿真。xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 12 页装订线图 5.6 PID 控制系统在小范围内调节 Ti Td 值，而后进行仿真得到系统的阶跃响应图如下：Ti=60；Td=11.342 时，仿真得到
19、系统的阶跃响应图。图 5.6 Ti=60；Td=11.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图Ti=60；Td=14.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图。xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 13 页装订线图 5.7 Ti=60；Td=14.342 时，仿真得到系统的阶跃响应图在对上面三种系统的阶跃响应图进行分析后，可以确定当Ti=60；Td=11.342 时，所获得的控制效果相对其他情况较好。故选择后确定Ti=60；Td=11.342。5.4 双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析基于上面章节的分析，运用 Matlab 的仿真功能对双容、多容水箱前馈反馈控制系统进行整体的仿真分析。图
20、5.8 前馈反馈控制系统的整体仿真框图按照上面章节已经构建好的数学模型和已经整定好的各种参数，并与之对xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 14 页装订线应的设置于各个模块单元上，检查连接好后运行系统，进行仿真。并且不断调节改变前馈通道中的积分时间参数 T2 和微分时间参数 T1。直至得到的仿真曲线效果达到设计所需的要求。不同的积分时间参数 T2 和微分时间参数 T1，所得到的仿真曲线如下各图所示。前馈通道时间参数 T1=1； T2=1 时，如图 5.9。如图 5.9 T1=1；T2=1 时的仿真曲线前馈通道时间参数 T1=12；T2=1 时，如图 5.10。如图 5.10 T1=12；
21、T2=1 时的仿真曲线前馈通道时间参数 T1=20；T2=10 时，如图 5.11。xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 15 页装订线如图 5.11 T1=20；T2=10 时的仿真曲线前馈通道时间参数 T1=50；T2=25 时，如图 5.12。如图 5.12 T1=50；T2=25 时的仿真曲线前馈通道时间参数 T1=50；T2=20 时，如图 5.13。如图 5.13 T1=50；T2=20 时的仿真曲线在对上面五种系统的阶跃响应图仿真曲线进行分析后，可以确定当T1=50；Td=20 时，所获得的控制效果相对其他情况较好。故选择后确定T1=50；T2=20。xxx 大 学 课程设
22、计纸共 22 页 第 16 页装订线5.5 运用力控组态软件对系统进行设计分析5.5.1 I/O 点收集及表单经过初步设计，制作设计表单如下：表 5-5-1 总体设计方案总体设计方案类别 配置情况系统性质 直接数字控制系统结构 IPC 控制硬件 PC 机软件 力控 Forcecontrol 6.1表 5-5-2 力控点表在本实验中，我们需要定义一个 I/O 设备，其定义过程如下：选择“变量”“I/O 设备组态”“力控”“仿真驱动”“SIMULATOR 仿真器”,出现如下窗口：图 5.14（a）I/O 设备定义xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 17 页装订线图 5.14（b ）I/O
23、设备定义5.5.2 创建实时数据库在该系统中，我们需要创建一个拥有 14 个数据库点的实时数据库。数据库点的创建的步骤如下；具体以 sv 为例。选取“工程项目”中“变量”下的“数据库组态”双击单元格后进入如下界面。图 5.15 sv 的数据组态 1相应参数设置后点击“数据连接”项，选择“增加”按钮，并做如下设置。图 5.15 sv 的数据组态 2xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 18 页装订线而后完成对 sv 的数据组态。按照相同的方法对余下的 13 个点进行数据组态。5.5.3 制作双容液液位控制系统主画面5.5.3.1 工程管理器的使用1）启动力控的“工程管理器” ；2）按“新增
24、应用”按钮，添加应用名，点击“确定”按钮，然后再点击“开发系统”按钮，进入力控的组态界面；5.5.3.2 创建组态界面1）选择“文件”“新建”创建一个“双容液液位控制系统主画面”窗口。2）打开 DRAW 的“工具箱” ，选择相应的 PID 手操器， 双击 PID 手操器画面，对其相应参数设置和数据关联如下。图 5.16 PID 手操器的基本属性设置图 5.17PID 手操器的变量设置xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 19 页装订线图 5.18 PID 手操器的参数整定得到双容液液位控制系统主画面如下图所示。 图 5.19 双容液液位控制系统主画面5.5.4 力控控制策略的运用在力控“
25、工程项目”中打开“工具”中的“控制策略”项。在控制策略中的“工具”中找到“PID 控制器” “传递函数” “数据库输入变量” “数据库输出变量”等模块后，按前馈反馈控制系统结构进行连接。连接好后，运行力控软件。得到的控制效果如下图所示。xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 20 页装订线图 5.20 双容液液位控制系统控制策略运行图图 5.20 双容液液位控制系统主画面运行图xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 21 页装订线6 实习心得 ：参考文献：xxx 大 学 课程设计纸共 22 页 第 22 页装订线【 1】 过程控制与自动化仪表 M,机械工业出版社 ,潘永湘 杨延西 赵跃
26、 编著【 2】 过程控制系统的 MATLAB 仿真 M,机械工业出版社 ,刘文定 王东林 编著【 3】 过程控制与 Simulink 应用 M,电子工业出版社 ,王正林 郭阳宽 编著【 4】 MATLAB 及其在理工课程中的应用指南 M,西电出版社出版 ,陈怀琛编著【 5】 三容水箱的建模及基于 T-S 模型的模糊 PID 控制 J，控制理论与控制工程，赵科，内蒙古工业大学硕士学位论文【 6】 鲁棒控制及其在三容系统中的应用 D，张博，吉林大学硕士学位论文【 7】 三容水箱液位控制系统的研究 D，蔡喜翠，哈尔滨工业大学硕士学位论文【 8】 基于遗传算法的系统建模与 PID 控制方法研究 D，徐春梅，武汉大学硕士学位论文【 9】 基于智能仪表的串联双容水箱液位控制系统的设计，朱广 吴君晓，河南机电高等专科学校学报【 10】 基于动态矩阵的液位控制系统，陈荣保，李劲松 【 11】 三容水箱液位控制系统，李伟，黑龙江科技学院学报【 12】 彷人多模态双容水箱控制系统研究 J，王武 蔡子亮 张元敏，许昌学院电气与信息工程学院【 13】 容器液位控制系统的设计 J,高红 陈旭 王永锋，化学工业与工程【 14】 双容液位控制系统的动态解耦控制 J，罗雄麟 宋浩 许峰，化工自动化及仪表 中国石油大学【 15】 阶跃响应模型在三容水箱中的预测控制 J，杜志伟 陈辉 尹力，林业劳动安全
