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双容水箱液位流量串级控制系统设计
◆设计题目
双容水箱液位流量串级控制系统设计
◆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1水箱2
图1系统示意图◆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。
◆设计任务分析
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一、系统建模
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。
机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理,写出各种有关的平衡方
程,从中获得所需的数学模型
测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实
测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑
匣子,完全从外特性上测试和描述它的动态性质。
对于本设计而言,由于双容水箱的各个环节的数学模型已知,故采用机理法建
模。
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:水箱2液位;
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。
控制对象特性:
Gm1(S)=1/(0.1S+1)(水箱1传递函数);
Gm2(S)=1/(0.1S+1)(水箱2传递函数)。
控制器:PID;
执行器:流量控制阀门;
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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。
为保持水箱2液位的稳定,设计中采用闭环系统,将水箱2液位信号经液位传
感器送至控制器(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,当水箱1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,进而是控制器响应滞后,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
位信号传至副控制器,然后直接作用于控制阀,以此得到较好的控制效果。
设计中,首先进行单回路闭环系统的建模,系统框图如下:
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,在有无干扰的情况下,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:
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