双容液位控制系统要点

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长春大学

课程设计说明书

题目名称双容液位控制系统

院（系）电子信息工程学院

专业（班级）自动化四班

学生姓名

指导教师李学军

起止日期2013.06.03-2013.06.14

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目录

1. 设计题目 (3)

2. 设计任务 (3)

3. 设计要求 (3)

4.设计任务分析 (3)

5.设计内容 (4)

5.1双容、多容水箱系统的数学建模 (4)

5.1.1双容、多容水箱系统机理模型 (4)

5.1.2双容、多容水箱系统模型的参数辨识 (5)

5.2双容、多容水箱系统数学建模的仿真 (7)

5.2.1控制系统仿真环境 (7)

5.3双容、多容水箱系统数学建模的参数整定 (10)

5.3.1 PID控制算法的参数整定 (10)

5.4双容、多容水箱前馈反馈控制系统的仿真分析 (13)

5.5运用力控组态软件对系统进行设计分析 (16)

5.5.1I/O点收集及表单 (16)

5.5.2创建实时数据库 (17)

5.5.3制作双容液液位控制系统主画面 (18)

5.5.4力控控制策略的运用 (19)

6实习心得 (21)

参考文献 (21)

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双容水箱液位前馈反馈控制系统设计。

2.设计任务

图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计前馈反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。

1

图1 双容水箱液位控制系统示意图

3.设计要求

1)上下水箱高都约为16m，具体几何尺寸不详，需仿真实验建模；

2)进水量最大为16平方米/小时，调节阀前后压差最大为3.2Mpa；

3)进水量的扰动为主要扰动。

4.设计任务分析

1）要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）；

2）针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；

3）针对该受扰的液位系统设计前馈反馈控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。

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1、根据流程控制自动化技术工程实训的实验获得的对象广义传递函数，建立Simulink仿真模型。

2、建立双容液位闭环控制系统及流量前馈液位反馈控制系统仿真模型。

3、采用传统的理论分析法，结合仿真实验整定PID控制器的参数，绘制仿真结果曲线。

4、采用Simulink控制系统设计工具箱SISO Design Tool设计和优化PID控制器的参数，绘制仿真结果曲线。

5、结合工程实训，比较实际系统行为与仿真结果的偏差，分析仿真结果。

5.1双容、多容水箱系统的数学建模

5.1.1双容、多容水箱系统机理模型

同对单容水箱系统进行机理建模一样，首先要先简化系统结构，以双容水根据物料平衡关系，列出增量方程

其中，错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。为流过阀1、阀2、阀3的流

Q3

阀3

阀2

阀1

Q2

h1

h0

Q1

h2

图5.1.1双容水箱系统结构

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊量；错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。为上水箱、下水箱的液位高度；错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。为上、下水箱的液容系数；错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。为阀2、阀3的液阻。

对式（5.1）（5.2）（5.3）（5.4）联立，进行拉氏变换，整理后得到

式中错误!未找到引用源。为上水箱过程时间常数，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。为下水箱过程时间常数，错误!未找到引用源。。

另外，若上、下水箱之间的管道过长存在时延错误!未找到引用源。，则此时传递函数多一个滞后环节，为

由此推及，若n个水箱级联，其传递函数应为

式中错误!未找到引用源。为总放大系数。上式为无时延过程，下式为有时延过程。

5.1.2双容、多容水箱系统模型的参数辨识

通过机理建模可以得知多容水箱的传递函数为

我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法，得到各个水箱的过程时间常数错误!未找到引用源。及时延错误!未找到引用源。，再由

求得错误!未找到引用源。、错误!未找到引用源。即可。

对于本实验的双容水箱系统，还可以用两点法确定相关参数。由于本实验系统的各水箱连接管道很短，并且管径很大，故时延很小，用两点法更为方便、准确。

错误!未找到引用源。的确定方法同（5.8）。错误!未找到引用源。、错误!未