计算机控制系统课程设计.pdf

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1、-计算机控制系统课程设计 双容水箱串级 PI控制系统的设计与仿真 姓名:江洁非 班级:电气11 学号:21103118 -双容水箱串级 PID 控制系统的设计与仿真 电气 111,2011102318 江洁非 、前 言：双容水箱系统是较强代表性的工业对象，具有非常重要的研究意义和价值，通过改变其阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象，如一阶对象、二阶对象等。同时也是典型的非线性、时延对象，通过其可进行非线性系统的辨识和控制等相关研究。可构成单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等,可为各种控制系统的研究提供参考依据。双容水箱系统的控制主要通过计算机来完成,可由计算机编程实现各种控制算

2、法来对水箱系统进行控制，为控制算法的研究提供了良好的试验平台。可在控制过程中改变组合的状态,从而模拟故障，这也为故障诊断的研究提供了研究对象和试验平台。2、研究的原理.1、双容水箱数学模型 双容水箱系统构成如右图所示,由上水箱、下水箱串联在一起,水首先进入上水箱，然后通过阀R流入下水箱，再通过阀R从下水箱中流出。流入量 Q0 由变频器控制泵来调节,流出量 Q由用户改变。被控量为下水箱的水位 h2。由物料平衡方程可得：上水箱:10111QQAdtdh 下水箱:21221QQAdtdh 其中 A1、A分别为上下两容器截面积，uQk0,222111RhQRhQR1、R2 为两阀门线性化水阻。整理上述

3、各式得：)()()()(d2222122221tukRthdttdhTTdtthTT 其中：222111,RATRAT 两边作拉氏变换得:11)()s(2122sTsTkRsUH-加上纯滞后环节后:sesTsTkRsUH11)()s(2122 2.2、双容水箱 ID 控制原理 P控制是最早发展起来算法简单、鲁棒性好和可靠性高的控制策略之一，被广泛应用于工业过程控制。PID 控制器就是采用比例(P）、积分(I)、微分(）的规律来调节系统响应的自动控制器。它根据给定值 r(t)与实际输出值 y(t）构成的偏差信号 e(t）将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。其数学模

4、型可表示为:dttdeTtdteTteKtDtP)()()(1)()(u01 (9)(9）式中 u（)为控制器的输出；e(t)为控制器的输入;Kp 为控制器的比例系数;T1 为控制器的积分时间;T为控制器的微分时间。比例作用能及时成比例地反应控制系统的偏差信号,起快速调节作用，迅速克服偏差。系数 Kp 越大，系统的响应速度越快,但可能产生超调和振荡，甚至导致系统的不稳定;如果 Kp 取值较小，则会降低调节精度,响应速度缓慢,延长调节时间,系统动、静态特性变坏。积分作用可保证被控量在稳态值，当 TI 较大时，则积分作用较弱，系统的过渡过程不易产生振荡，但是消除偏差所需的时间较长；当 T较小时，则

5、积分作用较强,这时系统过渡过程中有可能会产生振荡,但消除偏差所需的时间较短。微分作用的主要是改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度，其作用强弱由微分时间常数 TD 决定。23、串接ID 控制的实现 1 =m1 c2 1 pid1 id2 图 串级计算机控制系统的典型结构如上图所示，系统中有两个 PID 控制器，包围副调节器传递函数的内环称为副回路。包围主调节器传递函数的外环称为主回路。主调节器的输出控制量 m1 作为副回路的给定量.串级控制系统的计算机顺序是先主回路（PID1),后副回路(P2)。控制方式有两种：一种是异步采样控制,即主回路的采样控制周期 T1 是副回路采样控制周期 T的整数倍。

6、这是因为一般串级控制系统中主控对象的响应速度慢、副控对象的响应速度快的缘故。另一种是同频采样控制，即主、副回路的采样控制周期相同。这时，应根据副回路选择采样周期,因为副回路的受控对象的响应速度较快。主控制器 副控制器 控制阀 副对象 主对象 副测量 主测量-串级控制的主要优点：()、将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制;（2）、副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对主控制器的影响大为减弱;（3）、副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系统的响应速度。3、原理的应用仿真 按照数学模型,忽略两个水箱之间的相互影响，主、副对象的传递函数为：12468656.0）s（792seGs 1

7、2.33534.1）s（151seGs 3.1、单闭环 PID 控制系统的设计 打开maab建立如图所示的simulink模型。PI参数以衰减曲线法整定。控制系统中控制器参数设置成作用，使系统投入运行,逐渐把比例度从大逐渐调小,直至出现4:1衰减过程曲线。图3 在 smlik 中,把反馈连线断开,“KI”和“D”都置为“0”,“p”的值从大到小进行试验,每次仿真结束后，观察输出，获取系统 4:1 衰减振荡曲线。PI 控制整定时,比例放大系数 KP=2.666,积分时间常数 TI45，则KI=0.0 438,输入“KP”、“KI”,将“KD”置为 0,运行系统,双击“spe”得到如图所示的结果，

8、得到 PI控制时系统的单位阶跃响应。图 4 32、串级 PD 控制系统的设计-先主回路开环，建立的 simlink 框图如图 5 所示。当 8 时,副回路阶跃响应如图 6 所示。图 5 图 6 此时从图可以看出衰减比约为 4:，进入主回路闭环状态,取 K=0.28整定主控制器,此时的 smulnk 框图如图所示。调节主调节器，当7,将主回路闭环的条件下重新整定副控制器参数,当p.28，p1=7,KI=0.0185 时，反复试验调节,系统阶跃响应如图 8 所示。此时系统的阶跃响应比较理想,也即整定的主回路的参数比较合适。图 7-图 8 由图 8 可知,上升时间s4s，超调量=34.63%,系统经

9、过两次震荡后趋于稳定,系统静态误差小于 0.03,均满足要求。.3、串级控制系统和单闭环控制系统的比较 如图将串级控制系统和单闭环控制系统的 simlin模型搭建在一起,并在同一示波器scop1 显示其阶跃响应曲线如图 10:图 9 图 1（紫色为单回路，黄色为串级控制)-由图可作出下表:表 系统采用单回路控制和串级控制的对比 性能指标 单回路控制 Kp=2 16 Ki=0.0438 串级控制 Kp1 K=0.015 Kp=0.28 上升时间 峰值时间 超调量 调节时间 40 50 50%3300s s 50s 4%500s 由图 1和表分析可得：串级系统缩短了调节时间，提高了系统的快速性，减

10、小了超调量提高了准确性。4、结论 本研究的收获,研究的意义,研究的应用，原理与技术的今后发展。通过以上理论分析和实验结果,可得出如下结论：（1)、在上述双容水箱的控制系统中,副回路的惯性由副回路给予调节,提高了整个系统的响应速度。（2）、控制系统由主回路和副回路双闭环构成，副回路的变化对主回路影响较小,可先调副回路的pi再调整个系统。（）、当中间变量能够被检测出来,而控制性能又要求很高时，或当副对象具有很大的滞后时,采用串级控制是非常有效的控制手段。(4)、在实际中，一般单回路控制方案质量达不到要求时,采用串级控制方法是很有效的控制手段。5、参考文献 1李华、范多旺计算机控制系统机械工业出版社；2007.4（213.1 重印)郭阳宽、王正林过程控制工程及仿真电子工业出版社；209.4 3施伟锋、李妮娜计算机控制系统实验手册上海海事大学印刷;09 4周毅钧、王传礼、伍 广、李雪斌 双容水箱实验教学系统设计仿真淮南职业技术学院报;203 年第 4 期第 13 卷 王锦标、方崇智 过程计算机控制 清华大学出版社;第 1 版(2005 年 9 月 1日）