过程控制双容水槽课程设计Word文档下载推荐.docx
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容器2的液位也不会影响容器1的液位，两容器无相互影响。
由于两容器的流出阀均为手动阀门，故有：
Q-Q=A
其对应的拉式变化为
Q（s）-Q（s）=Ash（s）（2-1）
Q（s）-Q（s）=Ash（s）（2-2）
令容器1、容器2相应的阀门液阻分别为和,其中
Q（s）=（2-3）
Q（s）=（2-4）
将（2-3）和（2-4）带入（2-1）和（2-2），可得
=（2-5）
令T=AR,T=AR,可得
（2-6）
可见，虽然容器1的液位会影响容器2的液位，但容器2的液位不会影响容器1，二者不存在相互影响；
过程的传递函数相当于两个容器分别独立时的传递函数相乘，但过程增益为两个独立传递函数相乘的1/R1倍。
令Qi=ku，K=kR，对液位控制系统过程传递函数为：
2.2阶跃响应曲线法确定模型参数
（1）获取参数
采用阶跃干扰法分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。
如图2-2系统图来做实验获取数据。
首先通过手动操作使过程工作在所需测试的稳态条件下，稳定运行一段时间后，快速改变过程的输入量，并用纪录仪或数据采集系统同时记录过程输入和输出的变化曲线，经过一段时间后，过程进入新的稳态，试验结束得到的记录曲线就是过程的阶跃响应。
图2-2双容水箱模型测定原理图
测得的参数如表2-1和表2-2所示：
表2-1上水箱阶跃响应参数（间隔30s采集数据）
t（s）/30s
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
h（cm）
13.5
14.8
15.9
17.1
18.1
19.0
19.8
20.6
21.2
21.6
21.9
22.3
22.6
22.9
23.1
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
23.3
23.6
23.8
23.9
24.0
24.1
表3-2下水箱阶跃响应参数（间隔30s采集数据）
2.1
2.3
2.6
2.9
3.3
3.7
4.1
4.3
4.7
5.0
5.3
5.6
5.8
6.1
6.3
6.5
6.6
6.8
6.9
7.0
7.1
7.2
由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。
所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。
两组实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点，后面的数据依次减去初始值处理，作为Y轴上的各阶跃响应数据点；
将对应Y轴上阶跃响应数据点的采集时间作为曲线上各X点的值。
（2）求取上水箱模型传递函数
在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：
x=0:
30:
900;
y=[01.32.43.64.65.56.37.17.78.18.48.89.19.49.69.810.110.310.410.510.610.610.610.610.610.610.610.610.610.610.6];
（y为表3-1中每组参数与第一组参数之差）
p=polyfit（x,y,4）;
xi=0:
3:
yi=polyval（p,xi）;
plot（x,y,'
b:
o'
xi,yi,'
r'
）
xlabel（'
时间t（s）'
）;
ylabel（'
液位h（cm）'
[x,y]=ginput
（1）
[x1,y1]=ginput
（1）
gtext（'
t=200'
h=10.6'
在MATLAB中绘出上水箱拟合曲线如图2-3所示：
图2-3上水箱拟合曲线
注：
图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。
数据点与曲线基本拟合。
根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T。
而斜率K为P（t）在t=0的导数，以此做切线交稳态值于A点，A点映射在t轴上的B点的值为T。
阶跃响应扰动值为10，静态放大系数为阶跃响应曲线稳态值与阶跃扰动值比
，所以上水箱传递函数为。
（3）求取下水箱模型传递函数
在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：
x=0:
y=[00.20.50.81.21.62.02.22.62.93.23.53.74.04.24.44.54.74.84.95.05.15.15.15.15.15.15.15.15.15.1];
（y为表3-2中每组参数与第一组参数之差）
p=polyfit（x,y,4）;
xi=0:
yi=polyval（p,xi）;
plot（x,y,'
xlabel（'
ylabel（'
[x1,y1]=ginput
（1）
gtext（'
t=465'
h=5.1'
在MATLAB中绘出下水箱拟合曲线如图2-4所示：
图2-4下水箱拟合曲线
注：
求取传递函数方法和上水箱的类似，求得下水箱传递函数为。
3.控制系统的设计和仿真
3.1整定参数
3.1.1整定方法
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。
副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器先P控制规律就可以了，若引入积分规律，还会延长控制过程，减弱副回路的快速作用，若引入微分控制规律会使调节阀动作过大，对控制不利。
因此在本设计中，主控制器选用PID调节器，副控制器选用P调节器，并采用两步整定法对该串级控制系统进行整定，其结构框图如图3-1所示。
图3-1串级控制系统结构框图
3.1.2整定步骤
（1）将主副回路均闭环，置主控制器的Kp1为最大，Ti=0，Td=0，然后设置Kp2的值，直到副回路的输出曲线大致为4：
1衰减曲线，并记下此时Kp2的值；
（2）将副控制器的Kp2置为10，调节主控制器的Kp1的值，直至主回路的输出曲线大致为4：
1衰减曲线，记下主回路的Kp1；
（3）根据4：
1衰减曲线法的经验公式表3-2，分别整定主副控制器的参数；
（4）在主副回路均闭合的条件下，采用步骤3所得到的控制器的参数，按先副回路后主回路，先比例后积分最后微分的顺序对系统进行调试，观察控制过程的曲线，如果结果不够满意，可适当进行一些微小的调整。
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
根据以上步骤对该串级系统进行整定，主副回路4：
1曲线如图3-3和图3-4所示。
图3-3Kp1=200，Kp2=10主副回路输出波形
图3-4Kp1=200，Kp2=20主副回路输出波形
然后根据4：
1衰减曲线法的经验公式表设定主调节器的Ti和Td值，分别对主调节器采用PI和PID控制器进行仿真。
（1）PI控制器
设置Kp1=200，Ti=100，Td=0，Kp2=10，20，30，40。
仿真图如图3-5所示：
图3-5主调节器为PI的仿真曲线图
（2）PID控制器
设置Kp1=160，Ti=60，Td=20，Kp2=5，10，15，20。
仿真图如图3-6所示：
图3-6主调节器为PID的仿真曲线图
3.2控制系统仿真
通过采用单回路控制和串级控制系统这两种不同的控制方案，对双容水箱的阶跃响应性能和抗扰动性能进行模拟仿真，以考察串级系统的设计方案是否合理。
对双容水箱的阶跃响应性能和抗扰动性能进行模拟仿真，以考察串级系统的设计方案是否合理。
3.2.1单回路闭环系统设计
为保持下水箱液位的稳定，设计中采用单回路闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。
设计框图如4-1所示。
图4-1单回路闭环控制系统框图
3.2.2串级控制系统设计
在单回路设计的基础上在内环中引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，得到串级控制。
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。
图4-2串级控制系统框图
3.2.3阶跃响应性能
仿真框图如图4-3所示，通过切换手动开关可以实现副回路P控制器的引入与切除，
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