(推荐)单容水箱液位控制系统设计

过程控制系统设计作业单容水箱液位控制系统设计

学生姓名文强学号 2212130

任课教师陶珑

院、系、中心专科部

专业生产过程自动化

提交日期 2015年 10 月日

太原科技大学

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，并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。本文分别通过衰减频率特性法（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。本论文还通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

Design on Water Level Control in a Tank

Abstract

This thesis provides design methods of single closed-loop control system, cascade control system and feed forward control system about the controlled object a single water tank , and it achieves the goal of controlling level. For every kind of control system, simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance of control system, such as the maximum percent overshoot, settling time, attenuation rate and IAE. The design

of single closed-loop control system includes designs of

P, I, PI and PID. The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All the control design methods included are compared by simulation curves and performance indexes and we finally find that cascade control and feed forward

control are able to improve system’s performance.

Keywords:PID；Cascade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；Simulink

目录

摘要.................................................................... I ABSTRACT ................................................................. II 1设计要求及内容 . (1)

2单容水箱系统建模 (3)

3单闭环控制系统设计 (5)

3.1比例控制系统设计 (5)

3.2积分控制系统设计 (7)

3.3比例-积分控制系统设计 (9)

3.4比例-积分-微分控制系统设计 (12)

4串级控制控制方案设计 (16)

5前馈控制方案设计 (18)

6实验室水箱实验报告 (19)

6.1压力单闭环实验 (19)

6.2液位单闭环实验 (20)

6.3上水箱液位和流量组成串级实验 (22)

6.4前馈反馈控制实验 (24)

7总结 (26)

参考文献 (27)

附录 (28)

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图 1所示。已知F=1000cm2，R=0.03s/cm2。

调节阀为气关式，其静态增益3

K=g，液位变送器静态增益

28cm/s mA

v

1mA/cm

K=。

m

(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。

(6)结合实物实验撰写实验报告。

说明：

1)仿真工具采用Matlab

2)本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，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

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