单双容水箱

滨江学院
计算机综合控制实验题目A3000过程控制实验
院系滨江学院自动控制系
专业电气工程与自动化
学生姓名* * *
学号20090000000
指导教师郭伟
目录
一、PID控制原理
二、被控对象的分析
三、PID参数整定方法
四、单、双容控制结构图
五、仿真结果与分析
六、结束语
七、参考文献
摘要
本论文的目的是设计单、双容水箱液位串级控制系统。

在设计中充分利用计算机控制技术，自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。

作为一个过程控制实验装置，单、双容水箱液位控制系统具有强大的实验功能，不仅可以实现单入单出一阶对象、二阶对象、和非线性双入双出对象，而且还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种工业过程的控制算法。

针对双容水箱大滞后系统，采用PID方法去控制。

首先对PID控制中各参数的作用进行分析，采用根轨迹校正、伯德图校正的方法，对系统进行校正。

最后采用调整系统控制量的模糊PID控制的方法，对该二阶系统进行控制。

关键词 : 单、双容水箱串级控制 PID 控制
一、PID控制原理
当今的自动控制技术绝大多数部分是基于反馈。

反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。

测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此偏差来纠正和调节控制系统的响应。

反馈理论及其在自动控制的应用的关键是：作出正确的测量与比较后，如何将偏差用于系统的
纠正和调节。

在过去的几十年里，PID控制，即比例-积分-微分控制在工业控制中得到了广泛的应用。

虽然各种先进控制方法不断涌现，但PID控制器由于结构简单，在实际应用中较易于整定，且具有不需精确的系统模型等优势，因而在工业过程控制中仍有着非常广泛的应用。

而且许多高级的控制技术也都是以PID控制为基础的。

下面是典型的PID控制系统结构图
图1-1
其中PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

（1）比例（P）调节作用
是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

（2）积分（I）调节作用
是使系统消除稳态误差，提高无差度。

因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。

积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。

反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

（3）微分（D）调节作用
微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

因此，可以改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。

此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。

微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

二、被控对象的分析
本设计探讨的是单、双容水箱的液位控制问题。

为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。

（一）由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性：
水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。

所以，若阀2V开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

图2-1 单容水箱结构图
（二）由图2-2所示可以知道，双容水箱的流量特性：
图2-2双容水箱结构图
其中12A A 分别为水箱的底面积，123q q q 为水流量，12R R 为阀门1、2的阻力，
称为液阻或流阻，经线性化处理，有：2R h q ∆=
∆。

则根据物料平衡对水箱1有：
拉式变换得：
1211()()()Q S Q S A S H S ∆-∆=∆
2
12)()(R S H S Q ∆=∆
2
12R h q ∆=
∆dt
h d A q q 11
21∆=∆-
∆
对水箱2：
dt
h d A q q 2
232∆=∆-∆
3
2
3R h q ∆=
∆ 拉式变换得：
)()()(2232S H S A S Q S Q ∆=∆-∆
2
23)
()(R S H S Q ∆=
∆
则对象的传递函数为：
)()()(120S Q S H S W ∆∆=
)1)(1(32213++=S R A S R A R )
1)(1(21++=S T S T K
其中211
R A T =为水箱1的时间常数，322R A T =水箱2的时间常数，K 为双
容对象的放大系数。

若系统还具有纯延迟，则传递函数的表达式为：
201()
()()
H S W S Q S ∆==∆
S e S T S T K
)
1)(1(21τ-++
其中
τ
延迟时间常数。

在参考各种资料和数据的基础上，可设定该双容水箱的传递函数为：
5022()100201
s
G S e s s -=++
三、PID参数整定方法概述
采用PID控制器时，最关键的问题就是确定PID控制器中比例度PB、积分时间Ti和微分时间Td。

一般可以通过理论计算来确定这些参数，但往往有误差，不能达到理想的控制效果。

因此，目前，应用最多的有工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和反应曲线法，各种方法的大体过程如下：
（1）经验法
又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti，通过改变给定值对控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。

若曲线不够理想，可改变PB或Ti，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的PB和Ti就是最佳值。

如果调节器是PID三作用式，那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用。

由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。

显然用经验法整定的参数是准确的。

但花时间较多。

为缩短整定时间，应注意以下几点：
①根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td。

可参照在实际运行
中的同类控制系统的参数值，或参照表3-4-1所给的参数值，使确定的初始参数尽量接近整定的理想值。

这样可大大减少现场凑试的次数。

②在凑试过程中，若发现被控量变化缓慢，不能尽快达到稳定值，这是由于PB过大或Ti过长引起的，但两者是有区别的：PB过大，曲线漂浮较大，变化不规则，Ti过长，曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢。

这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。

③PB过小，Ti过短，Td太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是PB过小，振荡周期较短；Ti过短，振荡周期较长；Td太长，振荡周期最短。

如果在整定过程中出现等幅振荡，并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时，可能是阀门定位器调校不准，调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或控制对象受到等幅波动的干扰等，都会使被控量出现等幅振荡。

这时就不能只注意调节器参数的整定，而是要检查与调校其它仪表和环节。

（2）衰减曲线法
该方法是以4：1衰减作为整定要求的，先切除调节器的积分和微分作用，用凑试法整定纯比例控制作用的比例度PB（比同时凑试二个或三个参数要简单得多），使之符合4：1衰减比例的要求，记下此时的比例度PBs和振荡周期Ts。

如果加进积分和微分作用，可按相应的表格给出经验公式进行计算。

若按这种方式整定的参数作适当的调整。

对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。

这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动一次时间为Ts。

（3）临界比例度法
用临界比例度法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让控制系统以较大的比例度，在纯比例控制作用下运行，然后逐渐减小PB，每减小一次
都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例度PBk(称为临界比例度)和波动周期Tk，然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值。

按该表算出参数值后，要把比例度放在比计算值稍大一点的值上，把Ti和Td放在计算值上，进行现场观察，如果比例度可以减小，再将PB放在计算值上。

这种方法简单，应用比较广泛。

但对PBk很小的控制系统不适用。

（4）反应曲线法
前三种整定调节器参数的方法，都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。

如果知道控制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延ξ和放大系数K，则可按经验公式计算出调节器的参数。

利用这种方法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的要求。

四、控制器的介绍
模糊控制器的输入为误差和误差变化率：误差e=r-y，误差变化率ec=de/dt，其中r和y分别为液位的给定值和测量值。

把误差和误差变化率的精确值进行模糊化变成模糊量E和EC，从而得到误差E和误差变化率EC的模糊语言集合，然后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R（模糊关系矩阵）根据合成推理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U，最后再把模糊量解模糊转换为精确量u，再经D/A转换为模拟量去控制执行机构动作。

图5-1
该控制器的特点是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统的控制量U，能够获得较好的动态性能，反应时间加快。

而在小范围偏差范围内转换成PID控制，获得较好的静态性能。

从仿真曲线和性能指标可以看出，与常规的PID控制相比，模糊PID 控制器能使系统响应的超调减小，反应时间加快。

尤其是在系统具有延迟的模型结构和参数不确定的情况下，模糊PID控制具有更佳的控制效果。

五、实验结果与分析单容水箱
双容水箱
结束语
这次过程控制课程设计给我带来了很多的收获。

第一，是知识方面的收获，通过这次课程设计让我对所学课程又有了更多的了解，对这门学科在现实生活中的应用也有了更多的了解，我体会到了知识在现代社会中的重要作用。

第二，是与人沟通方面的收获，现代社会生活节奏较快，知识更新速度加快，每个人都应该不断学习，不断充实自己，要学会与人合作，这样才能提高办事效率，如果不与人合作，往往事倍功半。

通过本次课设，对组态软件的认识与了解更加深刻了。

在自己动手设计调试的过程中，使我对PID和应用有了更深一步的了解，相信对以后会有很大的帮助。

PID系统和过程控制在现代生产中有着非常广泛的应用，是非常实用非常重要的知识。

这次课设把变频器和PLC联系在一起，让我对所学知识有了更加灵活的掌握。

在以后的生活中，如果有时间，我想再多学习一些有关PID方面的知识。

感谢老师的谆谆教诲，让我们学到了那么多宝贵的知识。

参考文献
[1]胡寿松《自动控制原理》科学出版社 2001.2
[2]邵裕森《过程控制工程》机械工业出版社 2004.1
[3]于海生《微型计算机控制技术》清华大学出版社2004.1
[4]郑阿奇《MATLAB实用教程》电子工业出版社2005.1
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[6]刘金琨《先进PID控制及MALAB仿真》电子工业出版社2004.9
[7]清源工作室《Protel99SE原理图与PCB及仿真》机械工业出版社 2005.3
[8]陈桂明《应用MATLAB建模与仿真》科学出版社 2001
[9]张晓华《控制系统数字仿真与CAD》机械工业出版社 2003.7。