双容水箱液位串级控制系统

一、设计题目

双容水箱液位流量串级控制系统设计

二、设计任务

如图所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。

自来水

流出

水箱1 水箱2

系统示意图

三、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。由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模。

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；

主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1)

副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)

液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)控制器：

流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)

单回路闭环系统的建模如图：

双容水箱单闭环实施方案如图：

串级控制系统框图如图：

主PID

1/（100s+1）

1/（10s+1）

二水箱水位检测

给定值

+

-被控变量

干扰

副PID

控制阀

一水箱流量检测

X

X

双容水箱液位流量串级系统实施方案如图：

四、设计内容

1单回路PID 控制的设计 无干扰情况下：

先对控制对象进行PID 参数整定，采用衰减曲线法，衰减比为10:1.

1、将MATLAB 中I 参数调为0，K 为较小值。

2、待系统稳定后，做阶跃响应，阶跃响应如下图：

周期Ts=34s ，K=40

3、根据衰减曲线法整定计算公式，得K1=50，Ti=68s

4、使用以上PID 整定参数得到阶跃响应曲线如下：

观察可知，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。

1、保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：

2、保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：

现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力，阶跃响应曲线如下：

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。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。

2串级控制系统的设计

主控制器的选择：选用PI控制规律

副控制器的选择：选用P控制规律

采用一步整定法

（1）在系统纯比例作用的情况下，根据K02/δ2=0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2，并将其设置在副回路调节器上。

（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数，（3）改变给定值，观察被控量的相应曲线，根据主调节器的放大系数K1和副调节器放大系数K2匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数T1，就可以了。

根据下表，可以大致确定副控制器比例带和增益Kc2

先选择Kc2=3.5然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动，观察输出响应衰减过程，直到10：1衰减过程为止，根据δs和TS，由下表的经验公式，就可计算出调节器的预整定的参数值。

有噪声时，MATLAB仿真如图

无噪声时，系统阶跃响应如图：

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，缩短了调节时间。

向系统中加入噪声，观察不同P、I条件下的系统阶跃响应曲线：

P=20 I=1

P=45 I=2

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，系统稳定性更高，提高了系统的抗干扰能力，最大偏差更小。

五、设计总结

六、通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：

1、了解常过程控制的原理和应用，了解了建模的方法

2、培养具有综合应用相关知识来解决实际问题；

3、培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力；

我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。实验是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。