过程控制双容水槽课程设计.doc

目 录 1.选题背景 1 1.1社会背景及指导思想 1 1.2设计任务要求 1 2.被控系统建模 1 2.1水箱模型的分析 1 2.2阶跃响应曲线法确定模型参数 2 3.控制系统的设计和仿真 5 3.1整定参数 5 3.1.1整定方法 5 3.1.2整定步骤 6 3.2控制系统仿真 8 3.2.1单回路闭环系统设计 9 3.2.2串级控制系统设计 9 3.2.3阶跃响应性能 9 3.2.4抗扰动能力 10 4.设计结果及分析 12 4.1性能指标测定 12 4.2 PID参数整定规律 13 5.设计总结 13 参 考 文 献 14 1.选题背景 1.1社会背景及指导思想 在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理、冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽。下水槽水的流出量由用户根据需要改变，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。 1.2设计任务要求 综合运用本课程和其他相关知识，运用机理建模法建立双水槽对象的数学模型，分析其动静态特性和影响下水槽液位的主要干扰因素并设计出一液位控制方案，实现液位的准确控制。最后进行仿真研究。 2.被控系统建模 2.1水箱模型的分析 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模，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。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理法建模。双容水箱液位控制结构图如图2-1所示： 图2-1 双容水箱液位控制结构图 两容器的流出阀均为手动阀门，流量Q1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： Q-Q=A Q-Q=A 其对应的拉式变化为 Q(s)-Q(s)=Ash(s) （2-1） Q(s)-Q(s)=Ash(s) （-2）1、容器2相应的阀门液阻分别为和,其中 Q(s)= （-3）Q(s)= （-4） 2-3）和（2-4）（-1）（-2）（-5） T=AR,T=AR,可得 （-6） 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，K=kR，对液位控制系统过程传递函数为： 2.2阶跃响应曲线法确定模型参数 （1）获取参数 采用阶跃干扰法分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。如图2-2系统图来做实验获取数据。 首先通过手动操作使过程工作在所需测试的稳态条件下，稳定运行一段时间后，快速改变过程的输入量，并用纪录仪或数据采集系统同时记录过程输入和输出的变化曲线，经过一段时间后，过程进入新的稳态，试验结束得到的记录曲线就是过程的阶跃响应。 图2-2 双容水箱模型测定原理图 测得的参数如表2-1和表2-2所示： 表2-1 上水箱阶跃响应参数(间隔30s采集数据） t(s)/30s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14