下水箱液位前馈反馈控制系统实验(完整版)实用资料.doc

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1、下水箱液位前馈反馈控制系统实验（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）下水箱液位前馈反馈控制系统实验一、实验目的1、学习前馈-反馈控制的原理。2、了解前馈-反馈控制的特点。3、掌握前馈-反馈控制的设计。二、实验设备A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理1、控制原理前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈

2、控制是开环控制。其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。如图6-12所示。设法保持下水箱液位，是用两个水泵注水。图6-12 前馈反馈控制系统原理图如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。如果没有反馈，就是开环控制，这个控制是有余差的。增加反馈通道，使用PI进行控制，如图6-12所示。我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前

3、馈控制方程为：Qu=dF。也就是两个流量的和保持稳定。但是有两个条件，一是准确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀开度与流量对应关系，如图6-13所示：调节阀输入（%）1#，2#流量（%）图6-13 调节阀开度与流量比例关系2、测量与控制端连接表测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口涡轮流量计FT101AI0下水箱液位LT103AI1电磁流量计FT102AI2调节阀FV101AO0说明：电磁流量计可能为涡轮流量计。3、实验方案被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。然后实现反馈

4、控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。4、参考结果在前馈-反馈控制下的加法器系数取不同值时的控制曲线如图6-146-17所示：图6-14 =0时前馈反馈控制曲线 图6-15 =1时前馈反馈控制曲线图6-16 =2时前馈反馈控制曲线 图6-17 =3时前馈反馈控制曲线四、实验要求1、设计前馈反馈控制系统。2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、 JV103，1#电磁阀，JV201、JV206。其余阀门关闭。2、按照测量与控制列表进行连线：在A3000-CS上，电磁流量计输出端

5、连接到AI2；涡轮流量计输出端连接AI0；下水箱液位连接到AI1； AO0连接到电动调节阀(FV101)。3、打开A3000电源。4、在A3000-FS上，启动左边水泵和右边水泵。左边水泵使用变频器控制。5、首先测量调节阀开度和流量关系。给出不同的开度电流，观察电磁流量计的数值。6、计算关系函数，加入控制软件中。7、开始前馈-反馈控制。启动上位机，设置控制器参数，设置前馈系数，记录其实时曲线。8、通过变频器改变左边支路水流量，观察并记录控制曲线的变化。9、反复进行操作8，并修正值参数,并将其同调节阀开度与流量对应关系做比较，得出最佳参数。六、思考问题分析前馈反馈控制与串级控制的区别，优缺点。七

6、、实验结果提交1、通过抓图方法，提交获得的曲线。2、给出最佳控制参数。实验一 上水箱液位定值控制系统一. 实验目的1了解闭环控制系统的结构与组成。2了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。3观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。二. 实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统装置2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根3 万用表1只三. 实验原理本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。其实验图如下：单回

7、路控制系统的结构图为:图1-1 单回路控制系统方框图由上述实验可以知道其水箱液位在经过储水箱的水被抽出后经过电动调节阀的调节进水量经过控制仪表的测量变送使上水箱的液位达到所需要的液位保持稳定,单回路控制系统结构简单，操作方便，便于工业上的广泛使用。四实验曲线及数据处理上述按要求连线后开机进行实验，设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：其系统达到稳态的实验数据为：系统大约在5分钟左右到达稳态，记录下

8、的曲线为阶跃响应曲线。在系统达到稳态之后，加入一阶跃扰动，使上水箱液位的设定值变为SV=9cm待系统到达稳态后记录其曲线为：大约5分钟后系统达到稳态，对系统施加一干扰，使下水箱出水阀门F1-11的开度增加，观察系统的变化，经过系统的再次调整，系统达到稳态状态下的实验曲线为下图：五总结该控制系统具有良好的抗干扰的能力。当干扰出现后，系统能在调节器的控制下很快的进行调整，并在短时间内达到新的稳定状态。双容水箱液位串级控制系统设计1. 设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2. 设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支

9、路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。图1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求1） 已知上下水箱的传递函数分别为：，。要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计串级控

10、制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制对象特性：（上水箱传递函数）； （下水箱传递函数）。控制器：PID；执行器：控制阀

11、；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整

12、PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。然后，加入副回路、副控制器，再有干扰的情况下，比较单回路控制、串级控制系统性能的变化，串级控制系统框图如下：系统实施方案图如下：5.设计内容1）单回路PID控制的设计MATLA

13、B仿真框图如下（无干扰）：先对控制对象进行PID参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为10：1。A. 将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数TD调为零，比例带为较大值，即MATLAB中K为较小值。B. 待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为10：1时，阶跃响应如下图：参数：K1=9.8，Ti=无穷大，TD=0经观测，此时衰减比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID参数： K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上P

14、ID整定参数得到阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。现用控制变量法，分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。A 保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6参数：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比较不同P参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着K的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。B 保持P、D参数为定值，改变I参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6参数：K1=12，T

15、i=1，TD=5.6比较不同I参数值下系统阶跃响应曲线可知，有I调节则无余差，而且随着Ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。C 保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6参数：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知，而且随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下：阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大，在干

16、扰作用时，很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控制系统，在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能，考虑串级控制。2）串级控制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下（有噪声）：当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。现向系统中加入噪声，观察不同P条件下的系统阶跃响应曲线：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0参数：K1=12，Ti=16.8，

17、TD=5.6，K2=1.5观察以上曲线可知，当副回路控制器，调节时间都有所缩短，系统快速性增强了，在干扰作用下，当增益相同时，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更小。可以取得令人满意的控制效果。6.设计总结1）通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。2）基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。3)通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中M

18、ATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。4）从设计内容来讲，或许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是MATLAB的操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的学习研究能力，这也许更重要。实验三 水箱液位串级控制系统一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点2、掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响二、实验设备1、THJ-2 型高级过程控制系统实验装置2、计算机、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根3、万用表1 只三、实验原理图5-1 液位串级控制系统的结构图

19、本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副

20、回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图5-1为实验系统的结构图，图5-2为相应控制系统的方框图。图5-2 液位串级控制系统的方框图四、实验曲线及数据处理按照实验图接线，打开上位机MCGS组态环境，将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。设定智能仪表的参考参数：调节仪1：P=20;I=60;D=0;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=8；diH=50

21、;dil=0;调节仪2：P=50;I=0;D=0;Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=50;dil=0;当系统到达稳定的时候，记录曲线为水箱液位第一次达到最大值的数据：水箱液位第一次达到最小值的数据：水箱液位第二次达到最大值的数据：水箱液位第二次达到最小值的数据：水箱液位第三次达到最大值的数据：水箱液位第三次达到最小值的数据：水箱液位达到稳定时候的数据：经过一段时间稳定后，增加扰动向中水箱增加扰动记录的曲线为：当系统趋于稳定的时候停止向下水箱加扰动开大下水箱阀门当系统稳定的时候记录的曲线为：当趋于稳定的时候增加设定值1既SV=9记录的曲线为：五、总结时间附录：15.15 开始朝中水箱

22、加变频器干扰.15.23 停止中水箱变频器干扰.15.30 开始朝下水箱加变频器干扰. 干扰为25HZ 最大值13.115.36 加大下水箱阀门开度16.20 取消变频干扰(下和水箱排水开度16.26 达到稳定值16.27 增加设定值1 16.36 达到稳定由上述实验证明了串级控制系统的特点：A、改善了过程的动态特性B、能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力C、提高了系统的鲁棒性D、具有一定的自适应能力实验 水箱液位串级控制系统一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点2、掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响二

23、、实验设备1、THJ-2 型高级过程控制系统实验装置2、计算机、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根3、万用表1 只三、实验原理图5-1 液位串级控制系统的结构图本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当

24、有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图5-1为实验系统的结构图，图5-2为相应控制系统的方框图。图5-2 液位串级控制系统的方框图四、实验曲线及数据处理按照实验图接线，打开上位机MCGS组态环境，将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且

25、中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。设定智能仪表的参考参数：调节仪1：P=20;I=60;D=0;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=8；diH=50;dil=0;调节仪2：P=50;I=0;D=0;Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=50;dil=0;当系统到达稳定的时候，记录曲线为水箱液位第一次达到最大值的数据：水箱液位第一次达到最小值的数据：水箱液位第二次达到最大值的数据：水箱液位第二次达到最小值的数据：水箱液位第三次达到最大值的数据：水箱液位第三次达到最小值的数据：水箱液位达到稳定时候的数据：经过一段时间稳定后，增加扰动向中水箱

26、增加扰动记录的曲线为：当系统趋于稳定的时候停止向下水箱加扰动开大下水箱阀门当系统稳定的时候记录的曲线为：当趋于稳定的时候增加设定值1既SV=9记录的曲线为：五、总结时间附录：15.15 开始朝中水箱加变频器干扰.15.23 停止中水箱变频器干扰.15.30 开始朝下水箱加变频器干扰. 干扰为25HZ 最大值13.115.36 加大下水箱阀门开度16.20 取消变频干扰(下和水箱排水开度16.26 达到稳定值16.27 增加设定值1 16.36 达到稳定由上述实验证明了串级控制系统的特点：A、改善了过程的动态特性B、能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力C、提高了系统的鲁棒性D

27、、具有一定的自适应能力下水箱液位前馈反馈控制系统实验一、实验目的1、学习前馈-反馈控制的原理。2、了解前馈-反馈控制的特点。3、掌握前馈-反馈控制的设计。二、实验设备A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。三、实验原理1、控制原理前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制。其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按

28、过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。如图6-12所示。设法保持下水箱液位，是用两个水泵注水。图6-12 前馈反馈控制系统原理图如果支路一出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在第二个支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。如果没有反馈，就是开环控制，这个控制是有余差的。增加反馈通道，使用PI进行控制，如图6-12所示。我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据物料平衡关系，简单的前馈控制方程为：Qu=dF。也就是两个流量的和保持稳定。但是有两个条件，一是准

29、确知道第一个支路的流量，二是准确知道调节阀开度与流量对应关系，如图6-13所示：调节阀输入（%）1#，2#流量（%）图6-13 调节阀开度与流量比例关系2、测量与控制端连接表测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口涡轮流量计FT101AI0下水箱液位LT103AI1电磁流量计FT102AI2调节阀FV101AO0说明：电磁流量计可能为涡轮流量计。3、实验方案被调量为调节阀，控制量是支路2流量，控制目标是下水箱液位。首先实现前馈控制，通过测量支路1、2流量，控制调节阀，使得支路2流量变化跟踪支路1流量变化。然后实现反馈控制，通过测量水箱液位，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。4

30、、参考结果在前馈-反馈控制下的加法器系数取不同值时的控制曲线如图6-146-17所示：图6-14 =0时前馈反馈控制曲线 图6-15 =1时前馈反馈控制曲线图6-16 =2时前馈反馈控制曲线 图6-17 =3时前馈反馈控制曲线四、实验要求1、设计前馈反馈控制系统。2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。五、实验内容与步骤1、在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、 JV103，1#电磁阀，JV201、JV206。其余阀门关闭。2、按照测量与控制列表进行连线：在A3000-CS上，电磁流量计输出端连接到AI2；涡轮流量计输出端连接AI0；下水箱液位连接到AI1； AO0连

31、接到电动调节阀(FV101)。3、打开A3000电源。4、在A3000-FS上，启动左边水泵和右边水泵。左边水泵使用变频器控制。5、首先测量调节阀开度和流量关系。给出不同的开度电流，观察电磁流量计的数值。6、计算关系函数，加入控制软件中。7、开始前馈-反馈控制。启动上位机，设置控制器参数，设置前馈系数，记录其实时曲线。8、通过变频器改变左边支路水流量，观察并记录控制曲线的变化。9、反复进行操作8，并修正值参数,并将其同调节阀开度与流量对应关系做比较，得出最佳参数。六、思考问题分析前馈反馈控制与串级控制的区别，优缺点。七、实验结果提交1、通过抓图方法，提交获得的曲线。2、给出最佳控制参数。实验一

32、 上水箱液位定值控制系统四. 实验目的1了解闭环控制系统的结构与组成。2了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。3观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。五. 实验设备1. THJ-2型高级过程控制系统装置2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根4 万用表1只六. 实验原理本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。其实验图如下：单回路控制系统的结构图为:图1-1 单回路控制系统方框图由上述实验可以知道其水箱

33、液位在经过储水箱的水被抽出后经过电动调节阀的调节进水量经过控制仪表的测量变送使上水箱的液位达到所需要的液位保持稳定,单回路控制系统结构简单，操作方便，便于工业上的广泛使用。四实验曲线及数据处理上述按要求连线后开机进行实验，设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：其系统达到稳态的实验数据为：系统大约在5分钟左右到达稳态，记录下的曲线为阶跃响应曲线。在系统达到稳态之后，加入一阶跃扰动，使上水箱液位的设定

34、值变为SV=9cm待系统到达稳态后记录其曲线为：大约5分钟后系统达到稳态，对系统施加一干扰，使下水箱出水阀门F1-11的开度增加，观察系统的变化，经过系统的再次调整，系统达到稳态状态下的实验曲线为下图：五总结该控制系统具有良好的抗干扰的能力。当干扰出现后，系统能在调节器的控制下很快的进行调整，并在短时间内达到新的稳定状态。双容水箱液位串级控制系统设计1. 设计题目双容水箱液位串级控制系统设计2. 设计任务图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒

35、定。图1 双容水箱液位控制系统示意图3. 设计要求1） 已知上下水箱的传递函数分别为：，。要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并

36、对仿真结果进行评述。4.设计任务分析系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制对象特性：（上水箱传递函数）； （下水箱传递函数）。控制器：PID；执行器：控制阀；干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s后，施加均值为0、方差为0.01的

37、白噪声为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发

38、现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。然后，加入副回路、副控制器，再有干扰的情况下，比较单回路控制、串级控制系统性能的变化，串级控制系统框图如下：系统实施方案图如下：5.设计内容1）单回路PID控制的设计MATLAB仿真框图如下（无干扰）：先对控制对象进行PID参数整定，这里采用衰减曲线法

39、，衰减比为10：1。C. 将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数TD调为零，比例带为较大值，即MATLAB中K为较小值。D. 待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为10：1时，阶跃响应如下图：参数：K1=9.8，Ti=无穷大，TD=0经观测，此时衰减比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C根据衰减曲线法整定计算公式，得到PID参数： K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5

40、.6观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，系统的性能有了很大的改善。现用控制变量法，分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用。D 保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=16，Ti=16.8，TD=5.6参数：K1=20，Ti=16.8，TD=5.6比较不同P参数值下系统阶跃响应曲线可知，随着K的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。E 保持P、D参数为定值，改变I参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=10，TD=5.6参数：K1=12，Ti=1，TD=5.6比较不同I参数值下系统阶跃响应曲线可知，有I调节则无余差

41、，而且随着Ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。F 保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=8.6参数：K1=12，Ti=16.8，TD=11.6比较不同D参数值下系统阶跃响应曲线可知，而且随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，系统的仿真框图如下：阶跃响应曲线如下：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大，在干扰作用时，很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控制系统，在

42、有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能，考虑串级控制。2）串级控制系统的设计系统的MATLAB仿真框图如下（有噪声）：当无噪声时，系统的阶跃响应如下图所示：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.3比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。现向系统中加入噪声，观察不同P条件下的系统阶跃响应曲线：参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=0.5参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.0参数：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6，K2=1.5观察以上曲线可知，当副回路控制器，调节时间都有所缩

43、短，系统快速性增强了，在干扰作用下，当增益相同时，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更小。可以取得令人满意的控制效果。6.设计总结1）通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。2）基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。3)通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。4）从设计内容来讲，或

44、许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是MATLAB的操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的学习研究能力，这也许更重要。实验三 水箱液位串级控制系统一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点2、掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法3、研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响二、实验设备1、THJ-2 型高级过程控制系统实验装置2、计算机、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根3、万用表1 只三、实验原理图5-1 液位串级控制系统的结构图本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一

45、个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态

46、性能。图5-1为实验系统的结构图，图5-2为相应控制系统的方框图。图5-2 液位串级控制系统的方框图四、实验曲线及数据处理按照实验图接线，打开上位机MCGS组态环境，将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为35cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。设定智能仪表的参考参数：调节仪1：P=20;I=60;D=0;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV=8；diH=50;dil=0;调节仪2：P=50;I=0;D=0;Sn=32;CF=8;ADDR=2; diH=50;dil=0;当系统到达稳定的时候，记