推荐单容水箱液位控制系统设计Word格式.docx

1、Design on Water Level Control in a Tank AbstractThis thesis provides design methods ofsingle closed-loop control system,cascade control systemand feed forwardcontrol system about the controlled object a singlewater tank,and it achieves the goal of controlling level.For every kind of control system,s

2、imulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance ofcontrol system,such as the maximum percent overshoot,settling time,attenuation rate and IAE.The design ofsingle closed-loop controlsystemincludes designs of P,I,PIand PID.The controller p

3、arameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All thecontrol design methods included are compared by simulation curves andperformance indexes and we finally find that cascade control and feed forward controlare able to improvesystems performance.Keywords:Casc

4、ade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；1 设计要求及内容图 1 单容水箱液位控制系统单容水箱液位控制系统如题图 1所示。已知F=1000cm2，R=0.03s/cm2。调节阀为气关式，其静态增益，液位变送器静态增益。（1） 画出该系统的传递方框图；（2） 对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解F、R、Kv、Km的物理意义和量纲的关系。（3） 采用单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调节器，定义性能指标，对控制性能进行评价。（定义哪些性能指标进行评价？）（4） 对PID参数进行整定，工程的方法和理论的方法；（5） 设计串级和前馈控制系统，

5、分析性能，并和单闭环进行对比。（6） 结合实物实验撰写实验报告。说明：1） 仿真工具采用Matlab2） 本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，但每个人都要做设计。3） 在整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。电子版命名方法为：学号+姓名.rar内分2个目录：document用于存放文档；simulation用于存放仿真文件；每次提交的时候，将整个文件夹压缩后电子邮件至limingneu.2 单容水箱系统建模单容水箱系统的传递方框图如所示图 2单容水箱系统的传递方框图 在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程5（2-2）（2-1）其中（2-3）（2-4）F为水槽的横截面积，F=1

6、000cm2；为决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，可视为常数，R=0.03s/cm2；为调节阀开度，控制水流入量，由控制器LC控制；Kv为阀门静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，所以Kv为“”，即，可将阀门看成一个静态增益为的一阶惯性环节；液位变送器静态增益Km为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设液位变送器为线性仪表，则其可看成是一增益为 的比例环节；为扰动，其值可根据具体情况而定。假设扰动为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为（2-5）式（2-5）减式（2-1）得（2-6）式（2-6）就是动态平

7、衡方程式（1-1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值附近的小范围内变化，故可得以下近似（2-7）于是式（2-6）可化为（2-8）如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得（2-9）Laplace变换得：（2-10）假设液位的初始值为，代入数据得单容水箱系统的数学模型（2-11）被控对象传递函数为（2-12）假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图图 3单容水箱系统传递函数方框图3 单闭环控制系统设计3.1 比例控制系统设计图 4比例控制仿真图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令，根据频率特性法5整定控制器的参数得（3-1）则由式（3-1）解得，再由，可

8、得到理论整定值。（2）、工程整定方法：采用衰减曲线法5调整参数，令，得系统衰减振荡曲线y1Ts图 5系统衰减振荡曲线P=-200由系统衰减振荡曲线得由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度、积分时间和微分时间的整定值，结果如表 1所示：表 1衰减曲线法参数整定计算表衰减率整定参数调节规律0.75P-0.005PI-0.0061.38PID-0.0040.8280.276（3）、性能指标：在t=15s，加入扰动，得到仿真曲线如附图1所示。将波形数据通过“To Workspace”输出到Matlab工作区进行计算，可得时，该比例控制系统的性能指标如下：衰减率：最大动态偏差：8.0481残余偏差：-

9、0.9018调节时间： 6s绝对误差积分IAE：3.7569结论：有差控制，对小的干扰由较好的抑制作用，能够在较短的时间内达到新的稳态值。3.2 积分控制系统设计，根据频率特性法整定控制器的参数得（3-2）则由式（3-2）可解得（积分速度），进而可计算出积分时间（2）、性能指标：积分控制系统仿真框图：图 6积分控制仿真图I=-1/20对积分控制系统进行参数整定：；，得仿真曲线如下图所示。由仿真曲线可知，积分控制最终能实现无静差控制，但系统振荡频率低，超调量很大（约为190cm），调节时间很长（约为5000s），因此单独使用积分控制，系统性能较差。图 7积分控制仿真图I=-1/20，Qd=0在时

10、加入扰动，得仿真曲线：由图可知，系统能抑制阶跃扰动，实现无静差控制，但超调量很大，调节时间很长。图 8积分控制仿真图I=-1/20，Qd=5000cm33.3 比例-积分控制系统设计图 9PI控制仿真框图（3-3）以为参变量，和分别为横坐标和纵坐标，式（3-3）表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。图中每条曲线代表某一规定的衰减率，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整栋参数。选择一组合适的、作为控制器的整定参数。衰减曲线法如表1得，扰动，得仿真曲线如下图 10PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/1.38，Qd=0可得扰动图 11PI控制仿真曲线P=-1/0.0

11、06，I=-1/1.38，Qd=5000cm3对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，增大比例增益，加快系统响应速度图 12PI控制仿真曲线P=-1/0.006，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由图可知，减小了积分时间后，调节时间大大缩短，大约为15s，能在较短的时间内接近稳态值图 13PI控制仿真曲线P=-1/0.003，I=-1/0.01，Qd=5000cm3由图可知，继续比例带，可使调节时间进一步减小，大约为9s，偏差减小，系统响应加快。对应扰动的性能指标如下：7.3368 9s3.94983.4 比例-积分-微分控制系统设计图 14PI

12、D控制仿真框图 （3-4），则式（3-4）由三个变量，以分别为横坐标和纵坐标，式（3-4）表示的控制器整定参数之间的关系可以画成等衰减曲线图。，等衰减曲线上的每一点的坐标代表控制器的一组整定参数。如表1得，图 15PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=0图 16PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.828，D=-0.276，Qd=5000cm3同比例积分控制，比例积分微分控制对扰动的抑制作用很差，需要很长时间才能消除偏差，因此加大积分的作用，减小积分时间，减小比例带，增加微分时间，加快系统响应速度。图 17PID控制仿真曲线P=-1/0.004，I=-1/0.01，D=-0.276，Qd=5000cm3由图可知，减小了