双容水箱液位控制系统设计与实现课件.ppt

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1、1.1.双容水箱液位控制系统描述双容水箱液位控制系统描述双容水箱液位控制系统描述双容水箱液位控制系统描述2.2.被控对象与控制器设计模型被控对象与控制器设计模型被控对象与控制器设计模型被控对象与控制器设计模型3.3.控制器设计控制器设计控制器设计控制器设计4.4.系统仿真系统仿真系统仿真系统仿真5.5.闭环实验闭环实验闭环实验闭环实验提提 纲纲 1 1 1 1.双容水箱液位控制系统描述双容水箱液位控制系统描述双容水箱液位控制系统描述双容水箱液位控制系统描述1.1 1.1 1.1 1.1 控制目标控制目标控制目标控制目标q液位解耦液位解耦q运行过程系统安全运行过程系统安全q控制软件平台具有易用性

2、控制软件平台具有易用性 双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变 保证控制系统在运行过程中安全可靠保证控制系统在运行过程中安全可靠保证控制系统在运行过程中安全可靠保证控制系统在运行过程中安全可靠控制软件平台功能丰富，操作容易控制软件

3、平台功能丰富，操作容易控制软件平台功能丰富，操作容易控制软件平台功能丰富，操作容易 检测装置检测装置检测装置检测装置 执行机构执行机构执行机构执行机构流量传感器流量传感器2号水泵号水泵qq 硬件平台组成硬件平台组成硬件平台组成硬件平台组成(控制器实现平台、检测装置、执行机构控制器实现平台、检测装置、执行机构控制器实现平台、检测装置、执行机构控制器实现平台、检测装置、执行机构)控制器实现平台控制器实现平台控制器实现平台控制器实现平台网络化嵌入式控制器：已嵌入水箱内部1.2 1.2 1.2 1.2 单容水箱液位控制系统组成单容水箱液位控制系统组成单容水箱液位控制系统组成单容水箱液位控制系统组成液位

4、传感器液位传感器电磁阀电磁阀q执行机构和检测装置执行机构和检测装置 执行机构执行机构执行机构执行机构2 2号水泵号水泵 检测装置检测装置检测装置检测装置流量传感器 采用TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵，工作前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。水在大气压力或水压的作用下，通过水管压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。使用GEMS流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲信号，计算得到液体流量 被控对象被控对象被控对象被控对象双容水箱液位传感器 检测

5、装置检测装置检测装置检测装置 双入双出的被控对象尺寸：高度25cm，内径7.5cm，外径7.6cm 使用Honeywell的26PC型差压传感器作为液位传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行折算得到相应的液位从而进行反馈。q软件平台软件平台 EasyControlEasyControl 控制软件平台控制软件平台控制软件平台控制软件平台 MATLAB/MATLAB/SimulinkSimulink特点：1.用于开放式结构的快速控制原型开发、硬件样机在线测试，有效地缩短开发周期，保证系统柔性；2.由于可以采用实时在线测试，应用于难以建立精确数学模型的系统，可以降低建模和控制器设计的难度；3.与M

6、ATLAB系统的无缝集成，便于开发者使用MATLAB中的各种先进算法；4.该软件通过与TCP/IP网络的集成性，可应用于网络控制，远程设置控制方案，便于调试和升级。利用利用MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制2 2 2 2.被控对象与控制器设计模型被控对象与控制器设计模型被控对象与控制器设计模型被控对象与控制器设计模型2.1 2.1 2.1 2.1 控制系统与被控对象组成控制系统与被控对象组成控制系统与被控对象组成控制系统与被控对象组成2.2 2.2 2.2 2.2 被控对象模型被控对象模型

7、被控对象模型被控对象模型q被控对象组成被控对象组成 被控对象模型是从水泵被控对象模型是从水泵PWMPWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液占空比和电磁阀开度到双容水箱液位的过程，包括三部分：位的过程，包括三部分：1.1.水泵水泵PWMPWM占空比占空比 到总流量到总流量 2.2.电磁阀开度电磁阀开度 到一号水箱入水流量到一号水箱入水流量 3.3.各流量到双容水箱液位各流量到双容水箱液位 和和双容水箱液位系统的耦合关系主要体现在如下两方面：1.状态耦合关系：由于连通阀的存在，水会从高液位水箱流向低液位水箱;2.输入耦合关系：2号水泵控制两个水箱的进水流量总和Qin，电磁阀门在支路上，对1号和2号水箱

8、的入水流量都会有影响，因此存在输入耦合关系。q双容水箱液位系统的耦合关系双容水箱液位系统的耦合关系 水泵水泵水泵水泵PWMPWM占空比到总流量的过程占空比到总流量的过程占空比到总流量的过程占空比到总流量的过程 电磁阀开度到一号水箱入水流量的过程电磁阀开度到一号水箱入水流量的过程电磁阀开度到一号水箱入水流量的过程电磁阀开度到一号水箱入水流量的过程 此过程同样为时间常数较小的一阶惯性环节，可近似为如下线此过程同样为时间常数较小的一阶惯性环节，可近似为如下线性关系：性关系：此过程为时间常数较小的一阶惯性环节，近似为如下线性关系：此过程为时间常数较小的一阶惯性环节，近似为如下线性关系：q被控对象模型被

9、控对象模型 流量到双容水箱液位的过程流量到双容水箱液位的过程流量到双容水箱液位的过程流量到双容水箱液位的过程 假设假设 ，根据物料平衡关系，根据物料平衡关系有：有：其中其中 与与 分别为入水流量，分别为入水流量，与与 分别为泄水流量，分别为泄水流量，为某时刻为某时刻2 2号水箱号水箱流入流入1 1号水箱的流量号水箱的流量 由流体力学相关知识可得液位与泄水流量的关系为：由流体力学相关知识可得液位与泄水流量的关系为：连通阀水流量连通阀水流量 1 1号水箱泄水阀流量号水箱泄水阀流量 2 2号水箱泄水阀流量号水箱泄水阀流量 由此，得到此环节的被控对象模型由此，得到此环节的被控对象模型 其中其中 为阀门

10、比例系数为阀门比例系数 将三个环节进行综合，并考虑到将三个环节进行综合，并考虑到1 1号水箱和号水箱和2 2号水箱的入水量与总流号水箱的入水量与总流量的关系量的关系 可知：可知：因此，从水泵因此，从水泵PWMPWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液位的过程的被占空比和电磁阀开度到双容水箱液位的过程的被控对象模型为：控对象模型为：其中的比例系数其中的比例系数 和基数和基数 可以通过实验进行测定可以通过实验进行测定2.2 2.2 2.2 2.2 控制器设计模型控制器设计模型控制器设计模型控制器设计模型 由于耦合关系的存在，假设双容水箱液位耦合系统控制器设计模型的表达式为 利用阶跃响应辨识方法，根据改变

11、 与 引起输出液位的变化曲线，对耦合关系矩阵 进行辨识.采用控制变量法，在测定某一列两个元素过程中，相应水箱入水流量阶跃变化而另一个水箱的入水流量保持不变，从而得到液位变化曲线q双容水箱液位系统辨识方法双容水箱液位系统辨识方法q 与与 的辨识的辨识 利用控制变量法，首先辨识矩阵中第一列的两个元素，即：在保证水泵输入电压PWM占空比不变情况下，改变电磁阀开度得到液位变化曲线.保持水泵PWM占空比80%不变，电磁阀从58%到60%作为阶跃激励信号，进行三次实验，结果如下表所示.次数LT1初始液位LT1稳定液位LT1时间常数LT1比例系数 LT2初始液位LT2稳定液位LT2时间常数LT2比例系数11

12、0.5115.73002.6154.74c9.033452.15210.2515.052722.44.748.843272.05310.2514.982722.374.788.733472.0 利用阶跃响应法对得到的响应曲线进行辨识，三次测量取平均值得到传函数如下：q 与与 的辨识的辨识 类似地，在保证电磁阀开度不变情况下，改变水泵输入电压PWM占空比得到液位变化曲线.给定电磁阀开度38%，水泵输入电压PWM占空比由54%到58%作为激励信号，进行三次实验，结果如下表所示.次数LT1初始液位LT1稳定液位LT1时间常数LT1比例系数 LT2初始液位LT2稳定液位LT2时间常数LT2比例系数15

13、.529.623421.0210.215.433201.3025.089.023520.989.8815.243051.3435.109.593481.0210.114.32801.05 利用阶跃响应法对得到的响应曲线进行辨识，三次测量取平均值得到传函数如下：由此，双容水箱液位系统的控制器设计模型为 目的：选择 使得由 和 组成的串联系统具 有解耦结果 为对角 矩阵 解耦的原理：3.1 3.1 解耦控制系统结构解耦控制系统结构 3.3.解耦控制器设计解耦控制器设计 为解耦控制器，为存在耦合的被控对象，与 为输入，与 为输出q前馈补偿解耦控制前馈补偿解耦控制 前馈补偿解耦控制的系统结构前馈补偿解

14、耦控制的系统结构前馈补偿解耦控制的系统结构前馈补偿解耦控制的系统结构 前馈补偿解耦控制方法是一种很有效的抗扰动控制方法，且结构简单，便于实现。前馈补偿解耦控制的系统框图如下 若无解耦补偿器D的存在，M1的变化不仅会影响y1，而且会影响到y2，类似地，M2具有相同的情况 前馈补偿解耦控制方法前馈补偿解耦控制方法前馈补偿解耦控制方法前馈补偿解耦控制方法 为了抵消回路间的相互作用，利用不变性原理来消除这种耦合影响，只需要满足：这样，如果M1与M2都不为0，则：引入前馈解耦补偿器后，该耦合系统将如下图所示q前馈解耦补偿器设计前馈解耦补偿器设计 利用控制器设计模型，针对双容水箱实验模型进行前馈补偿解耦补

15、偿器设计.控制器设计模型为：由此，前馈解耦补偿器如下：4.1 4.1 控制器设计控制器设计 4.4.系统仿真系统仿真前馈解耦补偿器已经在上一节中求得，只需要针对解耦后的两个单容水箱设计PID控制器.引入前馈解耦补偿器后，双容水箱结构为1号水箱传递函数为2号水箱传递函数为 利用直接综合法设计PID控制器，选定期望的闭环极点 则期望的闭环传递函数为则1号水箱对应回路中PID控制器为 因此2号水箱对应回路中PID控制器为 因此 5.2 5.2 系统仿真系统仿真q仿真程序仿真程序前馈解耦补偿器双容水箱q仿真结果仿真结果双容水箱初始给定液位均为8，在t=150s时1号水箱给定阶跃到6，在t=300s时2

16、号水箱给定阶跃到10.得到的仿真结果如下：1号水箱液位2号水箱液位 6.1 EasyControl 6.1 EasyControl软件平台监控功能软件平台监控功能 EasyControl控制软件平台提供的信号参数浏览器具有时间范围设定、曲线保存、数值显示、在线调参等功能，为用户提供完备的实验功能6.6.闭环实验闭环实验6.2 6.2 双容水箱液位系统双容水箱液位系统PIDPID控制控制 不考虑解耦控制，只利用PID控制器进行双容水箱液位控制.反复调整参数直到具有较好的控制效果，最终选取的PID控制器参数 双容水箱初始液位设定均为8cm，稳定后1号水箱给定阶跃到6cm，再次稳定后2号水箱给定阶跃到10cm.得到的控制效果如下：1号水箱液位 2号水箱液位6.3 6.3 前馈补偿解耦控制实验前馈补偿解耦控制实验 利用设计的PID控制器和前馈解耦补偿器，进行双容水箱液位解耦控制实验，调整PID控制器参数和前馈解耦补偿器放大系数以达到较好的控制效果。最终选取的PID控制器参数和前馈解耦补偿器放大系数为 双容水箱液位系统解耦控制实验曲线如下：1号水箱液位2号水箱液位6.4 6.4 非线性解耦控制（先进方法研究）非线性解耦控制（先进方法研究）1号水箱液位实际响应曲线 2号水箱液位实际响应曲线 谢 谢！更多精品资请访问更多精品资请访问 更多品资源请访问更多品资源请访问