双容水箱液位串级控制系统的设计.docx

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双容水箱液位串级控制系统的设计

长春大学

过程控制实习报告

题目名称双容水箱液位串级控制系统的设计

院（系）电子信息工程学院

专业（班级）自动化13403

学生姓名张华挺

指导教师程广亮

起止日期——

双容水箱液位串级控制系统的设计

[摘要]该实验装置采用A3000过程控制装置,采用串级控制的方法来实现对双容水箱中下水箱液位的控制,并且通过Matlab对系统进行仿真,通过组态王将设计好的系统在设备上进行调试。

在此次设计中，利用自动化仪表技术，计算机技术和自动控制技术等实现对水箱液位的串级控制。

对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。

实验结果表明,串级控制的内回路能够有效地克服二次扰动的影响,可以加大主控制器的增益,从而对控制难度大的二阶对象进行有效控制。

[关键词]控制系统仿真串级控制

Designofcascadecontrolsystemforliquidlevelofdoubletank

[Abstract]TheexperimentaldevicetheA3000processcontroldevice,theuseofcascadecontrolmethodtoachievethedualcapacitywatertankofthelowertanklevelcontrol,andthroughtheMATLABsystemsimulation,byKingviewtodesigngoodsystemdebuggingonthedevice.Inthisdesign,theuseofautomaticinstrumenttechnology,computertechnologyandautomaticcontroltechnologytoachievethelevelofwatertankcascadecontrol.Themodelofthecontrolledobjectisanalyzed,andthetransferfunctionofthemodelisobtainedbytheexperimentalmodelingmethod.Theexperimentalresultsshowthatthecascadecontroloftheinnerloopcaneffectivelyovercometheinfluenceofthetwodisturbance,andcanincreasethegainofthemaincontroller,soastoeffectivelycontrolthetwostageofthecontroldifficulty.

[Keywords]controlsimulationcascadecontrol

第1章绪论

液位是工业生产过程中很重要的被控变量。

在实际生产中，液位控制的精确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。

所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。

1.1系统总体设计

两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。

控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器件称为串级控制器。

这次仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：

图1-1系统结构框图

第2章液位控制系统方案设计

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，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，将无法得到满意的效果。

所以应该及早控制，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，绕后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。

串级控制系统的组成

1.主、副回路：

从串级控制系统的框图可以看到，系统有两个闭合回路。

内部的闭合后路称为（副环）；外部的闭合回路称为主回路（主环）。

2.主、副控制器：

处于主回路中的控制器称为主控制器；处于副回路中的控制器称为副控制器。

3.主、副被控变量：

主回路的被控制变量称为主被控变量（主变量）；副回路的被控变量称为副被控变量（副变量）。

主被控变量也可以理解为起主导作用的被控变量；而副被控变量是为稳定主被控变量而引入的中间辅助变量。

4.主、副对象：

主回路所包括的对象称为主对象；副回路所包括的对象称为副对象。

5.主、副检测变送器：

检测和变送主变量的称为主检测变送器；检测和变送副变量的称为副检测变送器。

主控制器的输入是由工艺给定的，通常是一个定值，因此串级控制系统的主回路是一个定值控制系统；而副控制器的设定值是由主控制器的输出提供，它随主控制器输出的变化而变化，因此串级控制系统的副回路是一个随动控制系统。

串级控制系统的设计

串级控制系统的设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制规律设计和主、副控制器的正、反作用方式的确定等。

主回路的设计

串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行设计。

主变量（操纵量）的选择原则与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接地反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制目的的参数作主为主变量。

副回路的设计

副回路的设计质量是保证发挥串级控制系统优势的关键。

首先是要从被控制对象的多个变量中选择一个变量作为副变量。

主、副调节器调节规律的选择

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用。

主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差。

在液位串级控制系统中，我们选择下水箱液位为主要被控参数，液位流量为控制变量。

所以，选择PID调节器作为主调节器的调节规律。

副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，因而可以允许在一定范围内变化，并允许有静差。

为此，副调节器规律选择P调节规律。

 PID控制原理

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

图控制基本原理

第3章控制系统的仿真

单回路控制系统的仿真

通过MATLAB中的SIMULINK工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线，以控制框图代替了程序的编写，下面根据前文的水箱模拟传递函数对串级控制系统进行仿真，以模拟实际中的阶跃响应曲线，考察串级系统的设计方案是否合理。

1.

阶跃响应性能

图为SIMULINK仿真图

在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号，设置主控制器PID参数KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P参数为KP=50，在初始点加40点阶跃输入量观察阶跃响应曲线。

图为MATLAB加入副回路仿真曲线

图不加入副回路仿真曲线

仿真框图

维持初始阶跃信号不变，并在副回路中加入扰动信号，观察响应曲线. 在400s经过惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号。

控制器参数不变。

图 MATLAB不加入副回路仿真曲线 

综上可知，选择串级PID控制的设计方案完成对水箱液位的控制调节应当是可行的.而且在改善系统的动态特性、抗扰动能力等方面与非串级控制系统是较为有效的。

但是仿真曲线只是在计算机上通过对实际系统仿真得到的较理想的模拟曲线.实际系统设计现场必须综合考虑各方面的因素，不可能得到与计算机仿真一致的理想曲线和控制性能。

第4章系统过程流图

第5章结论

控制器工作方式为正作用。

输入增大时，输出趋向越大。

通过测量位置信号的采样反馈，与给定值相比较，调节偏差。

根据PID控制的特性再调节参数，使系统达到较满意的状态。

加阶跃信号后观察系统的动态性能，由曲线和响应数据得延迟时间Td=90s,峰值时间Tp=170s,调节时间Ts=700s,超调量为19%（最大峰值，,衰减比3：

1。

通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使上升速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大，引起被调量的来回波动。

加入适当的微分作用，可以使系统超调减小，但加入过大微分作用，会造成整个系统的不稳定，陷入振荡中。

在计算机中改变PID参数后，调节阀不能很快动作，特别是在上升到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在上升会造成超调增大。

第6章致谢

在这次课程设计中，不但培养了我们的动手能力，也让我们发现了自身的许多不足，得以及时加以改正，不断提高自己。

同时也促进了我与其他同学的团队合作，共同探讨，共同前进的精神，使小组成员的友谊和默契，并且共同学到了十分有用又实际的知识，加深了我们对于专业课程的应用和理解，将理论与实践相结合。

同时，课程设计也提高了我分析问题和解决问题的能力，使我对电器元件与专业知识有了更加深刻的理解，打好了日后学习电工技术课的基础，还有，这个实验培养了我与其他同学的团队合作，共同探讨，共同前进的精神，它不但培养了我们的动手能力，也让我们发现了自身的许多不足，得以及时加以改正，不断提高自己。

在设计中使用了相关系统软件对控制系统进行分析和建模。

特别是利用SIMULINK工具箱可以便捷地对不同的控制系统进行仿真，通过对PID控制的仿真，可以清楚的比较不同控制方案的优劣，对在设计控制系统可能出现的问题在计算机中进行模拟，使对系统的设计方案更加明确。

在组建计算机控制系统中使用了MCGS组态软件对我来说，这无疑是一门新的学问，既是一种挑战，也使我学到了很多有使用价值的知识。

最后，十分感谢指导老师的细心讲解，感谢小组成员的包容，感谢学校给我们这次机会完善自己的专业技能，使我们受益良多。

在日后的学习生活中，我定将更加努力，不断探索，不断提高自己。

参考文献

[1]胡寿松 《自动控制原理》 科学出版社  

[2]邵裕森 《过程控制工程》 机械工业出版社 

[3]郑阿奇 《MATLAB实用教程》电子工业出版社 

[4]刘金琨  《先进PID控制及MALAB仿真》电子工业出版社 

[5]《MCGS初级教程》  北京昆仑通态自动化有限公司 2004 

[6]郭阳宽《过程控制工程及仿真》电子工业出版社

[7]刘文定《过程控制系统的MATLAB仿真》机械工业出版社