水箱液位控制课程设计_自动化.docx

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1、水箱液位控制课程设计_自动化 课程设计报告 设计题目：水箱液位控制系统 班级：自动化0901班 学号：20222400 姓名：弟文 指导教师：王姝梁岩 设计时间：2022年5月7日至5月25日 摘要 水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉成分等多种控制对象的自动控制系统。 本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液

2、位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。 关键词：水箱液位控制器PID参数整定串级控制前馈控制 目录 1 引言 (2) 2 课程设计任务及要求 (2) 2.1 实验系统熟悉及过程建模 (2) 2.2 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 (2) 2.3 实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 (3) 2.4 实现水箱（上）液位与进

3、水流量的串级控制系统设计 (3) 2.5 实现副回路进水流量的前馈控制 (4) 3 实验系统熟悉及过程建模 (4) 3.1 系统结构 (4) 3.2 过程建模 (5) 3.2.1 进水流量和主管道流量模型 (5) 3.2.2 进水流量和上水箱液位模型 (7) 3.2.3 副回路流量与上水箱液位数学模型 (8) 3.2.4 双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 (10) 4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 (11) 4.1 结构原理 (11) 4.2 单容水箱控制器PID参数整定 (12) 4.2.1 单容水箱比例系数Kp的整定 (12) 4.2.2 单容水箱积分时间参数整定 (13) 4.2

4、.3 单容水箱微分时间参数整定 (13) 4.3 单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 (14) 4.4 单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 (14) 4.5 干扰频繁剧烈变化的解决办法 (15) 5 双容水箱液位的单回路控制系统设计 (15) 5.1 双容水箱单回路控制系统原理 (15) 5.2 双容水箱控制器PID参数整定仿真实验 (17) 5.2.1 比例参数的整定 (17) 5.2.2 积分常数参数的整定 (18) 5.2.3 微分常数参数的整定 (18) 5.3 双容水箱抗干扰能力检验 (19) 5.4 双容水箱提高控制质量方法 (19) 6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 (

5、20) 6.1 串级副回路参数整定 (22) 6.2 串级主回路参数整定 (23) 6.2.1 串级主回路比例参数整定 (24) 6.2.2 串级主回路积分参数整定 (24) 6.2.3 串级主回路微分参数整定 (25) 6.2.4 串级控制系统给定负阶跃响应曲线 (25) 6.3 副回路进水流量剧烈变化解决办法 (25) 7 副回路进水流量的前馈控制 (26) 7.1 副回路进水流量和水箱上液位前馈-反馈复合控制系统 (26) 7.2 前馈控制器模型的确立 (26) 7.3前馈-反馈复合控制系统PID参数整定 (27) 7.4 前馈-反馈复合控制系统不加前馈控制器 (27) 8 收获体会和建

6、议 (28) 1 引言 通过本次课程设计，加深了对自控控制系统理论知识的理解，了解了一些工业生产过程中控制系统设计的过程，结合了所学的理论知识和实际工业应用过程，提高了动手能力。 通过对系统过程的建模及PID参数整定，对自动控制系统设计步骤有了更清晰的步骤。并发现自己理论知识的不足的地方，在今后的过程中应加强学习自己所缺乏的理论知识。 针对本次课程设计过程对老师们提出一点建议，本次课程设计的程序，界面都是事先做好的。我觉得下次老师可以把写程序和编界面作为课设的容，让同学们有机会真正的熟悉设计一套控制系统的过程。 2 课程设计任务及要求 2.1 实验系统熟悉及过程建模 描述实验系统的总体结构（结

7、构图及语言描述）。 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果。 利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。 利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。 利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。 2.2

8、 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。 采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。 控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录 与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指

9、标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。 打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。 2.3 实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。 采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（

10、过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。 控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。 打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。 2.4 实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明

11、该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。 采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。要求写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。 在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。 打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡 过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量

12、进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。 打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。 2.5 实现副回路进水流量的前馈控制 画出此前馈-串级复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。 试求解前馈控制器的模型。 采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时

13、，控制系统达到满意的控制质量。写出前馈控制器参数的调试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。 3 实验系统熟悉及过程建模 3.1 系统结构 实验室有两套水箱液位系统控制，主管道控制系统是由控制器、调节阀、电磁流量计、上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成。副管道控制系统由控制器、变频器、涡轮流量计、上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成。下面以主管道上水箱液位控制系统为例说明控制系统工作过程。 系统有自动和手动模式，如图3-1所示，调节阀为气开阀，水箱液位过程为正过程，控制器为反作用方式。 图3-1 系统结构图模式 当设置

14、系统工作方式为自动时，可以设置水箱液位高度r，通过PID控制器的设置，控制调节阀的开度，从而保持水箱的液位高度稳定。如果出现扰动，通过水箱液位检测器反馈，并与设定值进行比较，如果反馈值大于设定值，则e0，通过反作用方式控制器时控制器的输出为负，减小调节阀的开度，从而使水箱液位减小，同样能保证液位保持稳定值不变。其调节过程如下： 图3-2 水箱液位调节过程 系统也可以设置手动模式，此时通过开关切换跳过PID控制器直接对调节阀的开度进行设置。可以改变进水流量，从而改变水箱液位高度，使液位高度达到新的平衡。 3.2 过程建模 控制质量的优劣是工业过程自动控制中最重要的问题，它主要取决于自动控制系统的

15、结构及组成控制系统的各个环节的特性。为了很好的控制一个过程，需要知道当控制量变化一个已知量时，被控量如何改变并最终将改变多少以及向哪个方向改变、被控量的变化将需要经历多长时间、被控量随时间变化的曲线形状等。这些均依赖于被控过程的数学模型。因此，建立被控过程的数学模型是自动控制系统分析与设计中的重要环节。被控过程的数学模型是指被控过程的输出变量与输入变量之间的函数关系数学表达式。 测取阶跃响应曲线的目的是为了得到表征所测对象的数学模型，为分析、设计控制系统，整定控制器参数或改进控制系统提供必要的参考依据。由阶跃响应曲线确定过程得数学模型，首先就要选定模型得结构，然后再由阶跃响应曲线确定过程的放大

16、系数、时间常数以及时间滞后，就可以得到被控过程的数学模型。 3.2.1 进水流量和主管道流量模型 关闭副管道回路控制系统，利用主管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。 图3-3 手动模式给定阶跃响应曲线 首先将阀的开度设置为20%，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。突然改变阀的开度，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3所示。 图中红线为阀的开度曲线，可以看出是一个阶跃信号。粉红色曲线为电磁流量曲线，通过放大可以近似为无滞后一节惯性模型。可以假设流量变化模型为： 000()1 K W s T s =+ （3.1） 一阶非周期过程比较简单，只

17、需确定放大系数0K 及时间常数0T 即可获得传递函数模型。 确定静态放大系数0K ：利用所测取的阶跃响应曲线估计并绘出被控量的最大稳态值 )(y ，如图4所示，放大系数0K 为： x y y K ?-=)0()(0 （3.2） 确定时间常数0T ：由响应曲线起点作切线与)(y 相交点在时间轴上的投影，就是时间常数0T 。由于切线不易作准，从式（3-15）可知)(632.0632.0)(00?=?=?y x K T y ，所以响应曲线)(632.0)(1=y t y 所对应的时间1t 就是时间常数0T ，同理响应曲线)(865.0)(2=y t y 所对应的时间2t 是2倍时间常数，即02T 。

18、 0(y (y 00(865.0?y (632.0?y y 图3-4 无滞后一阶对象的响应曲线 通过wincc 界面测得数据，电磁流量初始稳态值y1=0.1885，给定幅值R ?%为10%阶跃响应后重新达到稳态值y2=0.2517。可以计算出： 300.25170.1885()(0) 6.321010 K y y R -=-?= =? （3.3） 同时可以计算出T 0时刻电磁流量值： 0(0.25170.1885)0.6320.18850.2063T y =-?+= （3.4 ） 可以对应查找t 1(63.2%)的值如下表所示： 表3-1 电磁流量T 0时刻表 由此可以计算出T 0的值： 01

19、08T t t s =-= （3.5） 综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为： 30 6.3210()81 W s s -?=+ （3.6） 3.2.2 进水流量和上水箱液位模型 图3-3所示黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和主管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为： 01111()1 T s W s K T s +=+ （3.7） 但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即10T T ，所以模型可以近似 为一阶惯性模型： 111()1 K W s T s =+ （3.8） 通过Wincc 界面测得数据，电磁流量初始稳态值

20、h1=2.90，进水流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可以把最大值和最小值换算成100%的阶跃，当阀的开度为100%时，电磁流量为0.6948，所以有： 0.25170.1885%100%0.6948 x -?=? （3.9） 重新达到稳态值h2=13.60。可以计算出K 0，同时可以计算出T 0时刻电磁流量值： 0()(0) 1.19K h h x =-?= （3.10） 0(13.60 2.90)0.63213.609.66T h =-?+= （3.11） 可以对应查找h 1(63.2%)的值如下表所示： 表3-2 上水箱液位T 1时刻表 由此可以计算出T 0的值： 110160T t t

21、s =-= （3.12） 综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为： 1 1.19()1601 W s s =+ （3.13） 3.2.3 副回路流量与上水箱液位数学模型 关闭主管道回路控制系统，利用副管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将变频器输出频率设置为30Hz ，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。 突然改变变频器输出为35Hz ，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3-5黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和副管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为： 2221()1 Ts W s K T s +=+ （3.14）