级水箱串级控制系统

级水箱串级控制系统 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】

过程控制系统课程设计：

二级水箱液位串级控制系统

班级：自动化一班

姓名：王晓林

指导老师：王冰

二级水箱液位串级控制系统

要求：

1.给定详细的二级水箱被控对象理论建模过程。

2.根据控制要求，详细设计二级水箱串级控制系统方案：包括控制结构选择、变量控制、设计系统工艺流程图与控制方框图；确定传感器、控制器、执行器等。

3.给出详细的主、副控制器设计与整定过程及依据，包括主副控制器控制规律选择；主副控制器的正反作用的选择；主、副控制器参数整定。

4.二级水箱液位串级控制系统软件仿真，包括Matlab仿真模型搭建、给出详细的单回路控制系统PID参数整定的过程；给出详细的串级控制系统主副回路控制器参数整定依据及过程；单回路与串级控制效果比较（分有无干扰两种情况）。

5.二级水箱液位串级控制系统实物实现：实验室系统搭建、参数整定、调试。

一、建模过程

由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。采用双回路串级控制的方法来实现对双容水箱中下水箱液位H2的有效控制。

其中A1、A2分别为水箱的底面积，q1、q2、q3为水流量，R1、R2为阀门1、2的阻力，称为液阻或流阻，经线性化处理，有：

q i=h i−1

R i

。

则根据物料平衡，

对水箱1有：q1−

q2=A1d?h1 dt

q2=h1 2

拉式变换得：Q1(S)−

Q2(S)=A1S?H1(S),Q2(S)=H1(S)

R2对水箱2：q2−

q 3=A 2

d?h 2

dt q 3=h 2

R 3

拉式变换得：Q 2(S )− Q 3(S )=A 2S?H 2(S ),Q 3(S )=H 2(S )R 3

则对象的传递函数为：

W 0(s )=

H 2(S )Q 1(S )=R 3(A 1R 2S +1)(A 2R 3S +1)=K

(T 1S +1)(T 2S +1)

令T 1=A 1R 2，T 2=A 2R 3，其中T 1、T 2分别为水箱1、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：

W 0(s )=

H 2(S )1()=K

(1)(2)

e −τ0s 其中τ0为延迟时间常数。 二、串级控制系统设计

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，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果。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，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 串级控制方框图如下：

三、主副控制器设计与整定过程

1、主副回路设计：串级调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。选择主对象为下水箱，副对象为上水箱。串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调节器抵消了。对于中间变量并无特殊要求，它的选择应该是，既能迅速反应扰动作用，又能使副环包括更多的、特别是幅度大而频繁的扰动。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。主调节器的任务主要是克服落在副环以外的扰动，并准确保持被调量为给定值。由于副回路的存在，串级系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来一部分的对象，起了改善对象特性的作用。使用双闭环结构，主控制器选择比例积分微分控制规律(PID)，对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率(P)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对于系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系。

2、控制参数选择：在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。

3、主副控制器正反作用选择：一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式

4、参数整定：串级控制系统的投运和整定有逐步逼近法，也有两步整定法，设计采用两部整定法。即先整定副回路，即上水箱的PID参数整定后整定主回路，将主调节

器设置为自动，再整定主回路，即下水箱的P参数整定。通过手动调节主调节器的输出给副调节器输入给定值。

整定步骤如下：

①工艺稳定，主副回路均在纯比例调节规律运行的条件下，将主调节器比例度置于100%，逐渐减小副调节器的比例度，当副回路达到4∶1的衰减震荡过程时，记下副调节器的比例度δ2S和过渡周期T2S。

②将副调节器比例度固定在δ2S，逐渐减小主调节器的比例度，当主回路达到4∶1衰减振荡过程时，记下主调节器的比例度δ1S和过渡周期T1S。

③根据求出的δ2S、T2S、δ1S、T1S，按表计算出主副调节器的比例度、积分时间和微分时间。

④按“先副后主”、“先比例次积分后微分“的原则，将计算得出的调节器参数加到调节器上。

⑤观察记录曲线，进行适当的调整。

调节器调节规律计算表

四、Simulink模型仿真

主回路传递函数：G p

1(S)=5

20S+1

副回路传递函数：G p

2

(S)= 1.2

5.2S+1

二次扰动为幅值为，频率为1Hz的正弦波。

1、单回路无干扰控制系统