双容水箱液位流量串级控制系统设计2.docx

双容水箱液位流量串级控制系统设计2.docx

《双容水箱液位流量串级控制系统设计2.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双容水箱液位流量串级控制系统设计2.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

双容水箱液位流量串级控制系统设计2

题目：

双容水箱液位流量串级控制系统设计

一.设计任务与要求

如图1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。

图1系统示意图

1）已知主被控对象（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）。

2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/（0.1s+1），针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果；

3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/（0.1s+1），针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果；

4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。

二.设计任务分析

1）此控制系统是以调节阀门开度改变进水大小作为控制手段，目标是控制水箱2液位处于一个稳定高度。

2）串级控制系统：

串级控制系统有两个回路，其内回路是粗调，外回路是细调。

对此控制系统，内回路以流量作为信号控制进水阀开度，调节进水量，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求

--执行器的传递函数

--控制阀的传递函数

--主副变送器传递函数

--主副对象的传递函数

--主副控制器的传递函数

3）单回路控制系统：

对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会使控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果

三．单回路PID控制的设计

（1）无干扰下的单回路PID仿真方框图

PID整定与仿真曲线，采用衰减曲线法，整定依据是纯比例下的实验数据，取衰减比为4:

1。

设置积分时间Ti=∞，微风时间Td=0，改变比例带δ，找出最佳整定曲线，根据经验公式求出δ，Ti，Td的数值

衰减曲线法整定计算公式（4:

1情况下）

调节规律

比例度δ（%）

积分时间Ti（min）

微分时间Td（min）

P

δS

PI

1.2δS

0.5TS

PID

0.8δS

0.3TS

0.1TS

Kp=38时衰减比接近8:

1，不符合

Kp=42时衰减比接近6:

1，不符合

Kp=44时衰减比接近4:

1符合。

测得Ts=30s，δ=44*5/4=55，Ti=0.3Ts=9s，

Td=0.1Ts=3s

（2）干扰下的单回路PID仿真方框图

Kp=38时曲线不稳定

Kp=42时曲线不稳定

Kp=44时曲线不稳定

单回路系统分析：

在单回路中，由仿真曲线可知，无干扰情况下，系统可以趋于稳定；但当加入干扰后，系统很难稳定。

四.串级控制的设计

（1）无干扰下的串级控制仿真方框图

在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，为了主变量的稳定通常采用PI控制器，而副控制器是随动系统，采用P控制器就可以满足要求。

在调整过程中采用一步法即可

无干扰下仿真曲线

Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=2

Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=4

与单回路比较可知，串级控制过渡时间相对缩短了，而且系统更加稳定。

（2）干扰下的串级控制仿真方框图

干扰下仿真曲线

Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=1.3

Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=2

Kt1=44，Ti=10，Td=2，Kt2=4

Kt1=47，Ti=10，Td=2，Kt2=2

Kt1=50，Ti=10，Td=2，Kt2=2

串级系统分析：

比较上面的曲线，当加大Kt2时，调节时间缩短，当加大Kt1时，系统超调量加大。

五.单回路和串级对流量扰动抑制作用比较

由单回路与串级控制的仿真曲线相比，可以得出串级控制过渡时间小，最大偏差小，对扰动抑制作用更加及时有效，系统稳定性更高，抗干扰能力更强。

六.设计总结

在做这次课程设计过程中，我运用了实验课上学到的知识，并且与课本中的理论知识相结合，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了深刻的认识，并且基本掌握了PID参数整定方法，对课本上的相关知识有了更深刻的理解。

这次设计使我对串级控制系统的特点以及优势有了深刻的了解，与单回路控制相比，串级控制过渡时间小，最大偏差小，对扰动抑制作用更加及时有效，系统稳定性更高。

通过本次课程设计，我收益匪浅。