基于力控和Matlab的双容、多容水箱控制系统仿真课程设计论文.doc

课程设计报告 基于力控和Matlab双容、多容水箱控制系统仿真 目录 1. 设计题目 3 2. 设计任务 3 3. 设计要求 3 4.设计任务分析 3 5.设计内容 4 5.1双容、多容水箱系统的数学建模 4 5.1.1双容、多容水箱系统机理模型 4 5.1.2双容、多容水箱系统模型的参数辨识 5 5.2双容、多容水箱系统数学建模的仿真 7 5.2.1控制系统仿真环境 7 5.3双容、多容水箱系统数学建模的参数整定 10 5.3.1 PID控制算法的参数整定 10 5.4双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析 13 5.5运用力控组态软件对系统进行设计分析 16 5.5.1 I/O点收集及表单 16 5.5.2创建实时数据库 17 5.5.3制作双容液液位控制系统主画面 18 5.5.4力控控制策略的运用 20 6实习心得 21 参考文献 22 1. 设计题目 双容水箱液位前馈反馈控制系统设计。 2. 设计任务 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。试设计前馈反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 上下水箱高都约为16m，具体几何尺寸不详，需仿真实验建模； 进水量最大为16平方米/小时，调节阀前后压差最大为3.2Mpa； 进水量的扰动为主要扰动。 4.设计任务分析 1） 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前馈反馈控制方案，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。 5.设计内容 1、根据流程控制自动化技术工程实训的实验获得的对象广义传递函数，建立Simulink仿真模型。 2、建立双容液位闭环控制系统及流量前馈液位反馈控制系统仿真模型。 3、采用传统的理论分析法，结合仿真实验整定PID控制器的参数，绘制仿真结果曲线。 4、采用Simulink控制系统设计工具箱SISO Design Tool设计和优化PID控制器的参数，绘制仿真结果曲线。 5、结合工程实训，比较实际系统行为与仿真结果的偏差，分析仿真结果。 6、运用力控 5.1双容、多容水箱系统 5.1.1双容、多容水箱系统机理模型 同对单容水箱系统进行机理建模一样，首先要先简化系统结构，以双容水箱系统为例。见图.1.1。 根据物料平衡关系，列出增量方程 其中，、为流过阀1、阀2、阀3的 流量；、为上水箱、下水箱的液位高度；、为上、下水箱的液容系数；、为阀2、阀3的液阻。 对式（）（）（3）（4）联立，进行拉氏变换，整理后得到 式中为上水箱过程时间常数，；为下水箱过程时间常数，。 另外，若上、下水箱之间的管道过长存在时延，则此时传递函数多一个滞后环节，为  由此推及，若n个水箱级联，其传递函数应为 式中为总放大系数。上式为无时延过程，下式为有时延过程。 .2双容、多容水箱系统模型的参数辨识 通过机理建模得知多容水箱的传递函数为我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法，得到各个水箱的过程时间常数及时延，再由 求得、即可。 对于本实验的双容水箱系统，还可以用两点法确定相关参数。由于本实验系统的水箱连接管道很短，并且管径很大，故时延，用两点法更为方便、准确。 的确定方法同（8）。、采用两点法。 系统阶跃相应为 利用阶跃相应上两个点的数据和确定、。不妨取及两点，从图得出相应的、。 联立方程 得到近似解 通过，该双容系统为二阶系统，，，。 由此，求得该系统双容水箱系统的闭环控制框图为 至此，系统的模型就建立完成了。 双容、多容水箱系统 5.2.1控制系统仿真环境 MATLAB简介 计算机仿真是对控制系统进行科学研究的重要手段。通过计算机仿真来对比各种控制策略和方案，优化并确定相关参数，以获得最佳控制效果，是多年来控制系统设计尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技术。 MATLAB是Math Works公司于1984年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值计算，矩阵运算，信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的，界面友好的用户环境。由各个领域的专家相继推出了MATLAB工具箱，其中主要有信号处理(signal p