水箱液位控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)及開(kāi)環(huán)辨識(shí)

本文摘自我的實(shí)驗(yàn)報(bào)告

單回路水箱液位控制系統(tǒng)參數(shù)整定

利用單回路水箱液位控制系統(tǒng)的算法進(jìn)行控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。按照如下步驟進(jìn)行參數(shù)的整定。

將硬件按照算法所設(shè)計(jì)的硬件輸入輸出接口相連接；

將軟件與PLC裝置進(jìn)行通訊和聯(lián)機(jī)設(shè)置；

打開(kāi)設(shè)備電源，使設(shè)備進(jìn)行工作；

打開(kāi)數(shù)據(jù)收集模塊開(kāi)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集；

利用收集的數(shù)據(jù)結(jié)合MATLAB作圖，觀察控制系統(tǒng)的控制效果；

如效果不佳，修改PID參數(shù)并重新進(jìn)行2~6步的整定步驟，如果效果良好，轉(zhuǎn)到第7步；

記錄PID數(shù)據(jù)及水箱的液位數(shù)據(jù).
如下所示為參數(shù)整定的流程圖

特別地，整定過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：

確定數(shù)據(jù)收集的次數(shù)，并注意數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足上載到主機(jī)的條件；

選取合適的PID調(diào)節(jié)方法，如衰減曲線(xiàn)法、等；

調(diào)節(jié)PID參數(shù)進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，要耐心細(xì)心。
如下所示為前幾次參數(shù)整定的水箱液位圖

可以看到，液位穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)，超調(diào)量不夠大，繼續(xù)修改I和D參數(shù)。得到如下所示的滿(mǎn)足4：1的曲線(xiàn)

此時(shí)系統(tǒng)的PID參數(shù)分別是10000，1000，70。參數(shù)整定完成。

單回路水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)論

從上述參數(shù)整定的結(jié)果和水箱液位變化圖來(lái)看，單回路水箱液位控制系統(tǒng)能夠快速地將液位變化到給定液位，同時(shí)超調(diào)量和上升時(shí)間均滿(mǎn)足預(yù)期要求，動(dòng)態(tài)性能良好；在液位穩(wěn)定后，液位變化很小，穩(wěn)定在給定液位，穩(wěn)態(tài)性能良好。說(shuō)明經(jīng)參數(shù)整定后的單回路水箱液位控制系統(tǒng)是有效的，能對(duì)水箱液位進(jìn)行控制。

水箱液位串級(jí)控制實(shí)現(xiàn)

水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定

串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定與單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定步驟類(lèi)似，不同的是串級(jí)控制有2個(gè)PID參數(shù)，在上述單回路水箱液位控制系統(tǒng)參數(shù)已整定的基礎(chǔ)上完成串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定。
按照4.1.1所述的參數(shù)整定步驟進(jìn)行參數(shù)整定，得到如下圖所示的液位變化曲線(xiàn)

此時(shí)的水箱管壓PID參數(shù)分別是15000，100，20。

水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)論

從上述參數(shù)整定的結(jié)果和水箱液位變化曲線(xiàn)來(lái)看，水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)能夠快速地將液位變化到給定液位，同時(shí)超調(diào)量和上升時(shí)間均滿(mǎn)足預(yù)期要求，動(dòng)態(tài)性能良好；在液位穩(wěn)定后，液位變化很小，穩(wěn)定在給定液位，穩(wěn)態(tài)性能良好。說(shuō)明經(jīng)參數(shù)整定后的水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)是有效的，能對(duì)水箱液位實(shí)現(xiàn)控制，達(dá)到預(yù)期的控制效果。
將單回路和串級(jí)控制的液位變化曲線(xiàn)繪制到同一張圖中

水箱液位控制系統(tǒng)辨識(shí)實(shí)現(xiàn)

水箱液位控制系統(tǒng)開(kāi)環(huán)辨識(shí)在水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。按照如下步驟進(jìn)行水箱系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)辨識(shí)

首先給定液位，利用水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)使水箱穩(wěn)定在某一液位上，記錄下此時(shí)的齒輪泵輸出數(shù)值；

關(guān)閉水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，給定齒輪泵輸出，要求該輸出大于水箱液位200~300；

打開(kāi)水箱液位系統(tǒng)，但對(duì)其不控制，即既不是單回路控制也不是串級(jí)控制；

等待其重新穩(wěn)定到某一液位值時(shí)，上載水箱液位變化數(shù)據(jù)；

將水箱液位變化數(shù)據(jù)導(dǎo)出到MATLAB，并利用系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)；

對(duì)辨識(shí)后的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使其擬合于系統(tǒng)實(shí)際的液位變化曲線(xiàn)。
開(kāi)環(huán)辨識(shí)的系統(tǒng)流程圖如下圖所示：

給定液位為50，待系統(tǒng)經(jīng)水箱液位控制系統(tǒng)穩(wěn)定后，給定齒輪泵輸出，該輸出比串級(jí)控制系統(tǒng)的齒輪泵輸出數(shù)值大200。待水箱液位再次穩(wěn)定后，將水箱液位變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，系統(tǒng)辨識(shí)的工具箱使用示例如下。

經(jīng)辨識(shí)得到的結(jié)果如下圖所示，可以看到辨識(shí)的精度達(dá)到了95.27%。

繼續(xù)對(duì)得到的傳遞函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其擬合于水箱實(shí)際的液位變化曲線(xiàn)。得到如下圖所示的傳遞函數(shù)和液位曲線(xiàn)擬合。


至此，開(kāi)環(huán)辨識(shí)已經(jīng)完成，我們得到了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，并用該傳遞函數(shù)對(duì)系統(tǒng)實(shí)際的液位曲線(xiàn)變化進(jìn)行擬合，從上圖種可以看到，擬合效果良好。

總結(jié)

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