基于MATLAB与力控的双容水箱串级控制

设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：
图1.4.2单回路闭环系统控制系统框图
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：
图1.4.3串级控制系统框图
串级控制双容液位过程如图1.4.1所示。
图1.4.1串级控制的双容液位过程
两容器的流出阀均为手动阀门，流量 只与容器1的液位 有关，与容器2的液位 无关。容器2的液位也不会影响容器1的液位，两容器无相互影响。
由于两容器的流出阀均为手动阀门，故有非线性方程：
(4-1)
(4-2)
过程的原始数据模型为：
(4-3)
姓名
学号
本人工作任务详细说明
参与设计双容水箱串级控制系统，完成其运行效果；
观看力控监控组态软件演示工程中的双容水箱串级控制系统，熟悉其运行及各主要监控参数；
和组员在网上以及参考文献中搜集双容水箱串级控制系统的工作原理、多电梯远程监控系统的工艺流程图、双容水箱串级控制系统主要控制参数，双容水箱串级控制系统的主要监控功能等资料；
1.
双容水箱液位串级控制系统设计
1.
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定。
图1.2.1双容水箱液位控制系统示意图
1.
1.已知上下水箱的传递函数分别为：
参与建立双容水箱串级控制系统的工程画面，创建相应双容水箱串级控制系统的组态界面，创建实时数据库，制作相应动画连接；
根据工艺流程图及设计思想参与进行主要的系统程序编写，并和组员一起检查更正、完善系统程序；
观看双容水箱串级控制系统运行效果图；
写双容水箱串级控制系统实习报告。
第一章MATLAB设计实验报告
(4-11)
由上述分析可知，该过程传递函数为二阶惯性环节，相当于两个具有稳定趋势的一阶自平衡系统的串联，因此也是一个具有自平衡能力的过程。其中时间常数的大小决定了系统反应的快慢，时间常数越小，系统对输入的反应越快，反之，若时间常数较大（即容器面积较大），则反应较慢。由于该过程为两个一阶环节的串联，过程等效时间常数 ，故总体反应要较单一的一阶环节慢的多。因此通常可用一阶惯性环节加纯滞后来近似无相互影响的多容系统
摘要
串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛。在串联双容水箱水位的控制中，进水首先进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。
随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。本设计以二容水箱实验液位控制模型为研究对象，采用PID控制，并用力控组态进行上位机组态。组态界面包括：水箱实验界面（包括实时趋势曲线）、报警窗口、历史趋势曲线。所有画面的动态显示用增强按钮连接。
关键词：串级控制MATLபைடு நூலகம்B PID组态力控
小组成员及学号
， 。
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，并对仿真结果进行评述。
1.
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。
令容器1、容器2相应的线性水阻分别为 和 ：
(4-4)
(4-5)
其中 为容器1的初始液位， 为容器2的初始液位。
则有过程传递函数：
(4-6)
(4-7)
而由式（2-41）可以退出：
(4-8)
因此有：
(4-9)
令时间常数 和 ，最终可得该过程的传递函数为：
(4-10)
可见，虽然容器1的液位会影响容器2的液位，但容器2的液位不会影响容器1，二者不存在相互影响；过程的传递函数相当于两个容器分别独立时的传递函数相乘，但过程增益为两个独立传递函数相乘的1/R1倍。令Qi=ku，对液位h则控制系统过程传递函数为：