双容水箱液位控制 开题研究报告

双容水箱液位控制开题研究报告

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自动控制系统课程设计

双容水箱系统

——开题报告

学校：北京工业大学

学院：电控学院

专业：自动化

班级：

组号：第五组

组员：

实验日期：

指导教师：

目录

1、绪论 (2)

2、研究对象的数学模型及特性分析 (3)

3、控制系统的性能指标要求 (5)

4、控制器的选择与控制方案的设计与仿真 (6)

5、拟采用的实验步骤及理想的实验曲线 (15)

6、模型参数获取的实验设计 (17)

7、附录 (19)

1绪论

双容水箱系统是一种比较常见的工业现场液位系统，在实际生产中，双容水箱控制系统在石油、化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为常见。通过液位的检测与控制从而调节容器内的输入输出物料的平衡，以便保证生产过程中各环节的物料搭配得当。

经过比较和筛选，串级控制系统PID控制无论是从操作性、经济性还是从系统的控制效果均有比较突出的特性，因此采用串级控制系统PID控制对双容水箱液位控制系统实现控制。

论文以THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台为基础的实验数据作为出发点，利用MATLAB的曲线拟合的方法分别仿真出系统中上水箱、下水箱的输出响应曲线。对曲线进行处理求出各水箱的参数，用所求出的参数列写出水箱的传递函数。采用复杂控制系统中的串级控制系统列写出系统框图，根据串级控制系统PID参数整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的数值，从而满足控制系统对各项性能的要求。

2、研究对象的数学模型及特性分析

在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。

2.1 水箱模型分析

双容水箱液位控制结构图如下图所示：

图2-3 双容水箱液位控制结构图

设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度H 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为

式中 K=R 4，T 1=R 2C 1，T 2=R 4C 2，R 2、R 4分别为阀V 3和V 4的液阻，C 1 和C 2分别为左水箱和右水箱的容量系数。式中的K 、T 1和T 2可由实验求得的阶跃响应曲线求出。具体的做法是在下图所示的阶跃响应曲线上取：

6)

-1 ( *)1*)(1*()()()(2112e s

S T S T K S G S Q S H τ-++==

图2-4 阶跃响应曲线

1）、h 2（t ）稳态值的渐近线h 2(∞)； 2）、h 2（t ）|t=t1=0.4 h 2(∞)时曲线上的点A 和对应的时间t 1； 3）、h 2（t ）|t=t2=0.8 h 2(∞)时曲线上的点B 和对应的时间t 2。 然后，利用下面的近似公式计算式1-6中的参数K 、T1和T2。其

中：

对于式（1-6）所示的二阶过程，0.32

过曲线的拐点做一条切线，它与横轴交于A 点，OA 即为滞后时间

常数て。

注意：在以上对象模型的分析过程中，忽略了泵、进水阀、出水阀等环节对水箱模型的影响，因此水箱特性的实际测试结果，可能与理论分析有一定偏差。

2.16t t T T )4)(K 2

1212+≈

+=∞=

、阶跃输入量输入稳态值

O R h )

55.074.1()T (T T T

)521

2

2121-≈+t t 、 t h t

0 0.4 0.8 2 0 0 ( h 0

0 ( h 0 0

( 1 t 2 B A h 2 2 (t)

2 P

て A

3、控制系统的性能指标要求

双容水箱性能指标要求： （1） 衰减率4:1～10:1 （2） 超调量%10≤p M （3） 调节时间s t s 45≤ （4） 稳态误差0=ss e

4、控制器的选择与控制方案的设计与仿真

1、控制器——PID 控制原理

目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID 控制

技术日趋成熟。先进的PID 控制方案和智能PID 控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID 控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID 控制的计算机系统等。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

图2.1 PID 控制基本原理图

PID 控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：

式（3.1） 控制规律为：

式（3.2）

或以传递函数形式表示：

式（3.3） +

+

r(t) 比例P 积分I 微分D 被控对象 y(t)

()()()()01

t

de t U t Kp e t e i Td Ti dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦

⎰)

1

1()()()(Tds Tis

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