双容水箱液位流量串级控制系统设计

题目：双容水箱液位流量串级控制系统设计

1.设计任务

如图1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。

水箱2

图1 系统示意图

2.设计要求

1）已知主被控对象（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)。

2） 假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果；

3） 假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果；

4） 在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。

3. 设计任务分析

（1）液位控制系统是以改变进水大小作为控制手段，目的是控制下水箱液位处于一个稳定值。

（2）单回路控制系统：对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会导致控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果

（3）串级控制系统采用两套回路，其中内回路起粗调作用，外回路用来完成细调作用。对液位控制系统，内回路以流量作为前导信号控制进水阀开度，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求

G

T1

(s)GT2(s)--主副控制器的传递函数 Gu(s)--控制阀的传递函数

m1

G(s)--执行器的传递函数 G

z(s)Gm2(s)--主副变送器传递函数

G

01

(s)G02(s)--主副对象的传递函数

4．单回路PID控制的设计

（1）无干扰下的单回路PID仿真方框图

PID整定与仿真曲线，采用衰减曲线法，整定依据是纯比例下的实验数据，取衰减比为4:1。设置积分时间Ti=∞，微风时间Td=0，改变比例带δ，找出最佳整定曲线，根据经验公式求出δ，Ti，Td的数值 衰减曲线法整定计算公式（4:1情况下）

Kp=33时,衰减比接近9:1 不符合

Kp=38时衰减比接近8:1，不符

Kp=42时衰减比接近6:1，不符

Kp=44时衰减比接近4:1符合。测得Ts=30s ，δ=44*5/4=55，Ti=0.3Ts=9s， Td=0.1Ts=3s

（2）干扰下的单回路PID仿真方框图

Kp=38时曲线不稳定

Kp=42时曲线不稳定

Kp=42时曲线不稳定

单回路系统分析：在单回路中，无干扰情况下系统可以趋于稳定，但当加

入干扰后，由仿真曲线可知，系统很难稳定，出现了小幅震荡过程。由此考虑串级控制。

5.串级控制的设计

（1）无干扰下的串级控制仿真方框图

在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，为了主变量的稳定通常采用PI控制器，而副控制器是随动系统，采用P 控制器就可以满足要求。在调整过程中采用一步法即可

无干扰下仿真曲线

Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=2

Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=4

与单闭环比较可知，串级控制操作周期可以缩短，过渡时间也相对缩短了，而且系统更加稳定

（2）干扰下的串级控制仿真方框图

干扰下仿真曲线

Kt1=44，Ti =10，Td=2，

Kt2=1.3

Kt1=44，Ti =10，Td=2，Kt2=2

Kt1=44，Ti =10，Td=2，

Kt2=4

Kt1=47，Ti =10，Td=2，

Kt2=2

Kt1=50，Ti =10，Td=2，Kt2=2

串级系统分析：比较上面的曲线，当加大Kt2时，调节时间缩短，控制作用更加

及时响应速度更快，当加大Kt1时，系统超调量加大。

6.单回路和串级对流量扰动抑制作用比较

根据单回路与串级控制的曲线相比，可以得出串级控制操作周期短，过渡时间小，控制品质更加良好，对流量带来的扰动抑制作用更加及时有效，系统稳定性更高，抗干扰能力更强，最大偏差更小

7.设计总结

通过这次课程设计，让我学到了许多知识，例如系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识，巩固了课本上的很多内容，使得在课程学习的过程中一些相关的掌握不全面的知识有了进一步的了解，对于相关的公式和方法有了更新的理解和认识。此次的设计，基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法和串级控制的整定，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法。另外这次设计使我对串级控制系统的特点以及其在工业过程上的广泛的应用优势也有了更加深刻的认识。单回路控制用在被控量不经常波动的情况下，而串级控制恰好相反。PID整定的关键是选取Kp， Ti 及TD，参数的选择对系统稳态和动态性能有很大的影响。另外，对PID整定中衰减曲线法，我能够很熟练进行运用。另一方面也加强了我的实际动手能力。对过程控制在生产实际中的运用，我也有了一定的了解。虽然在设计中我遇到了很多问题，但通过自己的努力我成功的完成了此次设计，这次设计让我受益匪浅，在以后的学习中，我会继续加强自己实际动手能力。

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