单容水箱液位控制系统设计

12020年4月19日单容水箱液位控制系统设计文档仅供参考，不当之处，请联系改正。22020年4月19日分类号密级UDC过程控制系统设计作业单容水箱液位控制系统设计学生姓名xxxxxx学号xxxxxxxxxxxx任课教师xxxx院、系、中心工程学院自动化及测控系专业年级xxxx级自动化提交日期10月日中国海洋大学文档仅供参考，不当之处，请联系改正。32020年4月19日文档历史序号说明编制人版本号编制日期1文档创立xxWord.10.222水箱建模xxWord.11.103P、I设计及仿真xxWord.11.154PI、PID设计及仿真xxWord.11.235单闭环修改xxWord.12.16串级设计及仿真xxWord.12.117串级设计及仿真xxWord.12.258串级修改xxWord.12.279前馈设计及仿真xxWord.12.2810实验报告xxWord.12.2911实验报告xxWord.12.3012总结、摘要及参考文献xxWord.12.30文档仅供参考，不当之处，请联系改正。I2020年4月19日单容水箱液位控制系统设计摘要本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的设计方案，实现对水箱液位的控制。本论文还针对每种控制系统，在Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，而且利用仿真曲线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标IAE等。单闭环控制系统的设计包括P、I、PI和PID的设计。本文分别经过衰减频率特性法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。本论文还经过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计方案进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制可提高系统性能。关键词：PID；串级；前馈反馈；参数整定；Simulink文档仅供参考，不当之处，请联系改正。II2020年4月19日DesignonWaterLevelControlinaTankAbstractThisthesisprovidesdesignmethodsofsingleclosed-loopcontrolsystem,cascadecontrolsystemandfeedforwardcontrolsystemaboutthecontrolledobjectasinglewatertank,anditachievesthegoalofcontrollinglevel.Foreverykindofcontrolsystem,simulationmodelisestablishedbyusingsimulationtoolMatlab,simulationcurvescananalysistheperformanceofcontrolsystem,suchasthemaximumpercentovershoot,settlingtime,attenuationrateandIAE.Thedesignofsingleclosed-loopcontrolsystemincludesdesignsofP,I,PIandPID.Thecontrollerparameteristunedbyfrequencyresponseofattenuationrateandtheattenuationcurve.Allthecontroldesignmethodsincludedarecomparedbysimulationcurvesandperformanceindexesandwefinallyfindthatcascadecontrolandfeedforwardcontrolareabletoimprovesystem’sperformance.Keywords:PID；Cascade；Feedforward-feedback；Parametertuning；Simulink文档仅供参考，不当之处，请联系改正。III2020年4月19日目录摘要...............................................................................错误!未定义书签。ABSTRACT................................................................错误!未定义书签。1设计要求及内容.....................................................错误!未定义书签。2单容水箱系统建模.................................................错误!未定义书签。3单闭环控制系统设计.............................................错误!未定义书签。3.1比例控制系统设计..............................................错误!未定义书签。3.2积分控制系统设计..............................................错误!未定义书签。3.3比例-积分控制系统设计....................................错误!未定义书签。3.4比例-积分-微分控制系统设计...........................错误!未定义书签。4串级控制控制方案设计.........................................错误!未定义书签。5前馈控制方案设计.................................................错误!未定义书签。6实验室水箱实验报告.............................................错误!未定义书签。6.1压力单闭环实验..................................................错误!未定义书签。6.2液位单闭环实验..................................................错误!未定义书签。6.3上水箱液位和流量组成串级实验.....................错误!未定义书签。6.4前馈反馈控制实验..............................................错误!未定义书签。7总结.........................................................................错误!未定义书签。参考文献......................................................................错误!未定义书签。附录..............................................................................错误!未定义书签。文档仅供参考，不当之处，请联系改正。IV2020年4月19日文档仅供参考，不当之处，请联系改正。12020年4月19日1设计要求及内容图1单容水箱液位控制系统单容水箱液位控制系统如题错误!未找到引用源。所示。已知F=1000cm2，R=0.03s/cm2。调节阀为气关式，其静态增益328cm/smAvK，液位变送器静态增益1mA/cmmK。(1)画出该系统的传递方框图；(2)对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解F、R、Kv、Km的物理意义和量纲的关系。(3)采用单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调节器，定义性能指标，对控制性能进行评价。(定义哪些性能指标进行评价？)(4)对PID参数进行整定，工程的方法和理论的方法；(5)设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。文档仅供参考，不当之处，请联系改正。22020年4月19日(6)结合实物实验撰写实验报告。说明：1)仿真工具采用Matlab2)本设计持续一个学期，答案不唯一，大家能够相互讨论，但每个人都要做设计。3)在整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。电子版命名方法为：学号+姓名.rar内分2个目录：\document用于存放文档；\simulation用于存放仿真文件；每次提交的时候，将整个文件夹压缩后电子邮件至.文档仅供参考，不当之处，请联系改正。32020年4月19日2单容水箱系统建模单容水箱系统的传递方框图如所示Gc(s)Gv(s)Gp(s)Gms)uQi(s)H(s)R(s)Y(s)E(s)Qd(s)—+ΔQ(s)图2单容水箱系统的传递方框图在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程错误!未找到引用源。1()idodHQQQdtF1dHQdtF其中iQkoHQRF为水槽的横截面积，F=1000cm2；k为决定于阀门特性的系数，能够假定它是常数；R是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，R可视为常数，R=0.03s/cm2；为调节阀开度，控制水流入量iQ，由控制器LC控制；Kv为阀门静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，因此Kv为“—”，即328cm/smAvK，可将阀门看成一个静态增益为vK的一阶惯性环节；液位变送器静态增益Km为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)文档仅供参考，不当之处，请联系改正。42020年4月19日液位变送器为线性仪表，则其可看成是一增益为1mA/cmmK的比例环节；dQ为扰动，其值可根据具体情况而定。假设扰动dQ为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为00010()idoQQQF式（2-5）减式（2-1）得1()iodHQQdtF式（2-6）就是动态平衡方程式（1-1）的增量形式。考虑水位只在其稳态值附近的小范围内变化，故可得以下近似012oQHRH于是式（2-6）可化为011()2idHQHdtFRH如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得011()2idHQHdtFRHLaplace变换得：011()(())2isHsQHsFRH假设液位的初始值为016Hcm，代入数据得单容水箱系统的数学模型11()(())10002*0.03*16isHsQHs(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-10)(2-11)(2-9)文档仅供参考，不当之处，请联系改正。52020年4月19日被控对象传递函数为()0.3()()3001pHsGsQss假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图Gc(s)uQi(s)H(s)R(s)Y(s)E(s)Qd(s)—+ΔQ(s)1vvKTs0.33001smK图3单容水箱系统传递函数方框图(2-12)文档仅供参考，不当之处，请联系改正。62020年4月19日3单闭环控制系统设计328cm/s*mA1mA/cm1svmvKKT，，假设3.1比例控制系统设计图4比例控制仿真图（1）、理论整定方法：广义被控对象为'8.4()()()()(1)(3001)pvpmGsGsGsGsss令0.2210.75ssm，，根据频率特性法错误!未找到引用源。整定控制器的参数得''s(m,)1(m,)ppsspsKM则由式(3-1)解得s，再由'1(,)ppssKMm，可得到pK理论整定值。(3-1)文档仅供参考，不当之处，请联系改正。72020年4月19日（2）、工程整定方法：采用衰减曲线法错误!未找到引用源。调整参数，令0.75，得系统衰减振荡曲线图5系统衰减振荡曲线P=-200由系统衰减振荡曲线得2121162