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安徽理工大学毕业设计
一、研究背景及意义 二、水箱建模与PID整定理论 三、单回路控制系统设计 四、串级控制系统设计 五、结论
一、研究背景及意义
双容水箱是较为典型的非线性、时延对象,工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型,具有很强的代表性,有较强的工业背景,对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时,双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义,例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且,双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础,又具有较强的理论性,属于应用基础研究。
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双容水箱系统具有较强代表性和工业应用背景,具有非常重要的研究意义和价值,主要是因为它具有如下特点:
1、通过改变各个阀门的状态可构成灵活多变的对象,如一阶对象、
二阶对象等;
2、双容水箱系统是典型的非线性、时延对象,所以可对其进行非
线性系统的辨识和控制等相关研究;
3、双容水箱系统可构成单回路控制系统、串级控制系统、复杂过
程控制系统等,从而对各种控制系统的研究提供可靠对象;
4、由于对双容水箱系统的控制主要通过计算机来完成,所以,可
由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统进行控制,为控
制算法的研究提供了良好的试验平台;
5、可以在控制过程中随时改变泄水阀门的状态,从而模拟故障的
发生,这也为故障诊断的研究提供了研究对象和试验平台。
一、研究背景及意义
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二、水箱建模与PID整定理论
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PID控制器各控制规律的作用如下:
(1)比例控制(P):比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输
出与输入误差信号成比例关系,能较快克服扰动,使系统稳定下来。但当仅
有比例控制时系统输出存在稳态误差
(2)积分控制(I):在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分
成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称
此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”
积分项对误差的累积取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会越大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输
出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统
的稳定程度,出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进
入稳态后无稳态误差。
(3)微分控制(D):在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分
(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能
会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节,具有
抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的
作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
水箱液位控制系统的构成
水箱液位控制系统AE2000B由水箱体,水位检测元件(压力传感器)、水泵、数据采集模块及上位工控机(内有PCI总线插槽)构成,负责监测和变送和执行的元件包括液位传感器、涡轮流量计、压力表、电动调节阀等组成。
图中的两个玻璃容器、通过连接阀门依次连接。玻璃容器通过泄水阀门可以排出容器里的水,供水泵循环使用,水泵抽出的水通过进水阀门进入容器,这样就构成了一个封闭的回路。
两个玻璃容器上各装有一个液位压力传感器作为测量元件,用来读出容器的实时液位值。进水阀门通过两个步进电机控制其开度,从而调节进入容器水量的大小。
二、水箱建模与PID整定理论
双容水箱系统构成图
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液位压力传感器将容器中的水位值转换为相应的电信号传到数据采集模块,又由数据采集模块传给上位机,为各种控制算法提供实时的数据。这些数据通过相应的处理,生成恰当的控制信号,也需要经过数据采集卡给到步进电机,进一步控制阀门的开度,从而实现对各种控制算法的模拟和检验。
二、水箱建模与PID整定理论
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双容水箱控制如上图所示,是两个串联在一起的水箱,水先进入水箱A,然后再通入水箱B,然后再从水箱B流出。水流入量由变频控制泵控制,流出量由用户控制。
水箱A:
水箱B :
其对应的拉式变化为:
二、水箱建模与PID整定理论
令容器1、容器2相应的阀门液阻分别为和,其中
将几个公式合并
令
可得
令
得到传递函数
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二、水箱建模与PID整定理论
在该液位控制系统中,建模参数如下:
控制变量:水流量Q;
被控参数:下水箱液位;
控制器:PID;
执行器:控制阀;
控制对象特性:
(上水箱传递函数)
下水箱传递函数
下水箱传递函数