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1、雙容水箱液位串級控制系統設計,班 級：電自09101班 答 辯 人：黃xx 指導教師：張xx,內容,安徽理工大學畢業設計,一 、研究背景及意義二、水箱建模與PID整定理論三、單回路控制系統設計四、串級控制系統設計五、結論,一、研究背景及意義,雙容水箱是較為典型的非線性、時延對象，工業上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數學模型，具有很強的代表性，有較強的工業背景，對雙容水箱數學模型的建立是非常有意義的。同時，雙容水箱的數學建模以及控制策略的研究對工業生產中液位控制系統的研究有指導意義，例如工業鍋爐、結晶器液位控制。而且，雙容水箱的控制可以作為研究更為復雜的非線性系統的基礎，又具有較。

2、強的理論性，屬于應用基礎研究。,安徽理工大學畢業設計,二、水箱建模與PID整定理論,安徽理工大學畢業設計,PID控制器各控制規律的作用如下： (1)比例控制(P)：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸 出與輸入誤差信號成比例關系，能較快克服擾動，使系統穩定下來。但當僅 有比例控制時系統輸出存在穩態誤差 (2)積分控制(I)：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分 成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱 此控制系統是有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項” 積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。 這樣，即便誤。

3、差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸 出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統 的穩定程度，出現發散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進 入穩態后無穩態誤差。 (3)微分控制(D)：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 (即誤差的變化率)成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能 會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性環節或有滯后環節，具有 抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的 作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。,水箱液位控制系統的構成,水箱液。

4、位控制系統AE2000B由水箱體，水位檢測元件(壓力傳感器)、水泵、數據采集模塊及上位工控機(內有PCI總線插槽)構成，負責監測和變送和執行的元件包括液位傳感器、渦輪流量計、壓力表、電動調節閥等組成。 圖中的兩個玻璃容器、通過連接閥門依次連接。玻璃容器通過泄水閥門可以排出容器里的水，供水泵循環使用，水泵抽出的水通過進水閥門 進入容器，這樣就構成了一個封閉的回路。 兩個玻璃容器上各裝有一個液位壓力傳感器作為測量元件，用來讀出容器的實時液位值。進水閥門通過兩個步進電機控制其開度，從而調節進入容器水量的大小。,二、水箱建模與PID整定理論,雙容水箱系統構成圖,安徽理工大學畢業設計,液位壓力傳感器將容。

5、器中的水位值轉換為相應的電信號傳到數據采集模塊，又由數據采集模塊傳給上位機，為各種控制算法提供實時的數據。這些數據通過相應的處理，生成恰當的控制信號，也需要經過數據采集卡給到步進電機，進一步控制閥門的開度，從而實現對各種控制算法的模擬和檢驗。,二、水箱建模與PID整定理論,安徽理工大學畢業設計,雙容水箱控制如上圖所示，是兩個串聯在一起的水箱，水先進入水箱A,然后再通入水箱B,然后再從水箱B流出。水流入量由變頻控制泵控制，流出量由用戶控制。 水箱A： 水箱B : 其對應的拉式變化為:,二、水箱建模與PID整定理論,令容器1、容器2相應的閥門液阻分別為 和 ,其中 將幾個公式合并 令 可得 令 得。

6、到傳遞函數,安徽理工大學畢業設計,二、水箱建模與PID整定理論,在該液位控制系統中，建模參數如下： 控制變量：水流量Q； 被控參數：下水箱液位； 控制器：PID； 執行器：控制閥； 控制對象特性：,(上水箱傳遞函數) 下水箱傳遞函數,下水箱傳遞函數,三、單回路控制系統設計,用衰減曲線法對系統進行PID參數整定 衰減比為10：1,安徽理工大學畢業設計,串級控制系統介紹,安徽理工大學畢業設計,串級控制是指通過引入副回路，使系統控制品質相對于單回路控制系統提高。在系統的結構上說，串級控制系統有兩個閉合回路：主回路和副回路，主副調節器串聯工作，主調節器輸出作為副調節器的設定值，系統通過副調節器輸出控制。

7、執行器動作，實現對主參數的定值控制。船機系統的主回路是定值控制系統，副回路是隨動控制系統，通過他們的協調工作，是主參數能夠準確地控制在工藝規定的范圍之內。,液位控制系統方案設計,安徽理工大學畢業設計,本設計采用閉環系統，將下水箱液位信號經水位檢測器送至控制器(PID)，控制器將實際水位與設定值相比較，產生輸出信號作用于執行器(控制閥)，從而改變流量調節水位。當對象是單水箱時，通過不斷調整PID參數，單閉環控制系統理論上可以達到比較好的效果。如果采用單閉環控制系統，當上水箱有干擾時，此干擾經過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實際生產中，如果干擾頻繁出現，將無法得到滿意的效果。,控制系統的P。

8、ID參數整定,衰減曲線法：在閉環系統中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現10:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。 穩定邊界法：在閉環系統中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經驗公式確定PID參數。 Ziegler-Nichols經驗公式：方法先求取系統的開環階躍響應曲線，根據對象的純遲延時間、時間常數和放大系數，按Ziegler-Nichols經驗公式計算PID參數。,積分項改進的數字PID控制：實際中常采取積分分離措施，即當。

9、偏差較大時，不施加積分控制；當偏差較小時，才施加積分控制。即： a.當 時，采用PD控制； b.當 時，采用PID控制 數字變PID控制:同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數，各套參數分別適用于不同的波動范圍，由程序根據當時波動范圍自動選擇相應的PID參數。 I積分時間在PID控制系統中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統中的作用越強，I的各個分段值應根據對PID控制系統的被調參量的波動范圍確定。,安徽理工大學畢業設計,。,。,串級控制系統設計,串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。前一個調節器稱為主調節。

10、器，它所檢測和控制的變量稱主變量(主被控參數)，即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量(副被控參數)，是為了穩定主變量而引入的輔助變量。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。,串級控制系統的特點,在系統結構上，串級控制系統中主、副調節器是串聯工作的。主回路是定值控制系統，而副回路是個隨動控制系統 在串級控制系統中，主變量是反映產品質量或生產過程運行情況的主要工藝變量。控制系統設計的目的就在于穩定這一變量，使它等于工藝規定的給定值。 在。

11、系統特性上，串級控制系統由于副回路的引人，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質童。 由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應能力，可用于負荷和操作條件有較大變化的場合。,在串級控制系統中。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇調節器規律的基本出發點。 主被控參數是工藝操作的主要指標，允許波動范圍很小，一般要求無靜差。在液位串級控制系統中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數，液體流量為控制變量。所以，選擇PID調節器作為主調節器的調節規律。 副被控參數的設置是為了克服主要干擾對主參數的影響，保證和提高主參數的控制質量，對副參數的。

12、要求一般不嚴格，因而可以允許在一定范圍內變化，并允許有靜差。為此，副調節器調節規律選擇P調節規律,串級控制系統的參數整定,串級控制系統主、副調節器的參數整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。 逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環進行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。但是逐步逼近法費時費力，在實際中很少使用。 兩步整定法是按照串級控制系統主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。此法雖然比逐步逼近法簡化了調試過程，但還是要做兩次10:1衰減曲線法的實測. 兩步整定法進行簡化，在總結實踐經驗的基礎上，提出了一步整定法，就是根據經驗先將副控制器一次放好，不再變。

13、動，然后按照一般單回路控制系統的整定方法直接整定主控制器參數。,加入調節模塊的串級控制系統,對主回路進行PID調節，對副回路只進行P調節然后進行主副回路參數整定,四、串級控制系統設計,經過多組數據驗證得出較理想的仿真圖如下,調節時間 Ts=7s超調量 =3%穩態誤差 Ess=0可見各項指標都達到要求,四、串級控制系統設計,單回路控制系統和串級控制系統的比較,單回路控制系統結構簡單，容易實現，但控制品質一般 串級控制系統提高了控制品質，改善了過程的動態特性 對于此設計 它減少了調節時間 降低了超調量 降低了穩態誤差 使系統各項指標打到要求,串級PID控制的設計方案完成對水箱液位的控制 調節是可行的。而且在改善系統的動態特性、抗擾 動能力等方面與非串級控制系統是較為有效的。之 前整定出的主副控制器PID參數值也是合適可用的。 但是仿真曲線只是在計算機上通過對實際系統仿真 得到的較理想的模擬曲線。實際系統設計現場必須 綜合考慮各方面的因素,不可能得到與計算機仿真一 致的理想曲線和控制性能，這點需要注意。,五、結論,安徽理工大學畢業設計,謝謝大家,安徽理工大學畢業設計。

總結

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