過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)---過(guò)程建模與系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：過(guò)程建模與系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)</p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間：2012.5.7-2012.5.25</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，對(duì)單容水箱、雙容水箱完成建模，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能，并設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　比例系數(shù)加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈

3、敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小。Ｋp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。Ｋp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。Ｋp太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。Ｋp可以選負(fù)數(shù)，這主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器以控制對(duì)象的特性決定的。如果Ｋｃ的符號(hào)選擇不當(dāng)對(duì)象狀態(tài)(pv值)就會(huì)離控制目標(biāo)的狀態(tài)(sv值)越來(lái)越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況Ｋp的符號(hào)就一定要取反。積分作用使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ｔｉ?。ǚe分作用強(qiáng)）會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特

4、性，Ｔｄ偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。Ｔｄ偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)。只有Ｔｄ合適，才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　關(guān)鍵詞：過(guò)程建模，單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)，前饋控制系統(tǒng)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p>&l

5、t;p>　　1.概述 ··································&#

6、183;····················1</p><p>　　2.設(shè)計(jì)要求 ···········

7、;····································

8、83;···2</p><p>　　2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熟悉及過(guò)程建模 ··························

9、3;······2</p><p>　　2.2實(shí)現(xiàn)單容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)····················2</p><

10、p>　　2.3實(shí)現(xiàn)雙容水箱液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)····················3</p><p>　　2.4實(shí)現(xiàn)水箱液位與進(jìn)水流量的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)····&

11、#183;···········3</p><p>　　2.5實(shí)現(xiàn)副回路進(jìn)水流量的前饋控制··················

12、··········4</p><p>　　3.設(shè)計(jì)內(nèi)容·····················

13、3;······························5</p><p>　　3.1過(guò)程建模·&

14、#183;····································

15、;··········5</p><p>　　3.1.1實(shí)驗(yàn)裝置·····················

16、·······················5</p><p>　　3.1.2建立模型········&

17、#183;···································5<

18、/p><p>　　3.2單容水箱································&#

19、183;··············20 </p><p>　　3.2.1控制原理···········&#

20、183;·······························20</p><p>　　3.2.2

21、調(diào)節(jié)PID參數(shù)···································

22、83;···21</p><p>　　3.2.3旁路干擾···························

23、83;···············26</p><p>　　3.2.4副回路干擾···············&#

24、183;·························26</p><p>　　3.3雙容水箱·····

25、3;····································&#

26、183;····27</p><p>　　3.3.1控制原理··························&#

27、183;················27</p><p>　　3.3.2PID參數(shù)··············&

28、#183;·····························28</p><p>　　3.3.3旁路干擾·&

29、#183;····································

30、;·····29</p><p>　　3.3.4副回路干擾·························

31、3;···············30</p><p>　　3.4串級(jí)控制系統(tǒng)···············

32、3;···························31</p><p>　　3.4.1控制原理···

33、3;····································&#

34、183;··31</p><p>　　3.4.2PID參數(shù)····························&

35、#183;···············32</p><p>　　3.4.3旁路干擾···············&

36、#183;···························34</p><p>　　3.4.4副回路干擾···

37、····································

38、3;·35</p><p>　　3.5前饋控制系統(tǒng)·····························

39、3;·············35</p><p>　　3.5.1控制原理·················

40、3;·························35</p><p>　　3.5.2求解模型·····

41、3;····································&#

42、183;37</p><p>　　3.5.3參數(shù)調(diào)試······························&#

43、183;············37</p><p><b>　　1.概述</b></p><p>　　液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題,例如在飲料、食品加工,溶液過(guò)濾,化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程中都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?lt;

44、/p><p>　　傳統(tǒng)的液位控制多采用包含手動(dòng)控制方式的單回路控制，同時(shí)采用傳統(tǒng)的指針式機(jī)械儀表來(lái)顯示液位的當(dāng)前值，如浮子式、磁電式、接近開(kāi)關(guān)式、電容式、聲波式等。傳統(tǒng)的液位控制在生產(chǎn)中一直占有主導(dǎo)地位，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)線的更新，不僅要求更直觀、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的液位控制系統(tǒng)，同時(shí)還要求在降低生產(chǎn)設(shè)備的成本、提高設(shè)備安全條件等方面有所突破，這就要求我們開(kāi)發(fā)新型既實(shí)用又廉價(jià)的液位控制系統(tǒng)。</p>&

45、lt;p>　　液位控制的發(fā)展從七十年代到九十年代經(jīng)歷了幾個(gè)階段，控制理論由經(jīng)典控制理論到現(xiàn)代控制理論，再到多學(xué)科交叉；控制工具由模擬儀表到DCS，再到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制；控制要求與控制水平也由原來(lái)的簡(jiǎn)單、安全、平穩(wěn)到先進(jìn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、高產(chǎn)甚至市場(chǎng)預(yù)測(cè)、柔性生產(chǎn)。而其中應(yīng)用最廣泛的就是PID 控制器。</p><p>　　本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)水箱的液位控制問(wèn)題,借助過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的水箱液位控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置,應(yīng)對(duì)不同

46、的階躍擾動(dòng),設(shè)計(jì)了幾種典型控制實(shí)驗(yàn),并用圖解法建立了被控對(duì)象的較精確的數(shù)學(xué)模型,以及用經(jīng)驗(yàn)試湊法確定了一些控制器的PID參數(shù)，最后對(duì)單回路、串級(jí)和前饋控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的抗擾動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了分析.</p><p><b>　　2. 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熟悉及過(guò)程建模</p><p>　　描述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（

47、結(jié)構(gòu)圖及語(yǔ)言描述）。</p><p>　　利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立進(jìn)水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)</p><p><b>　　模型。</b></p><p>　　要求：寫(xiě)出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（3種不同幅值的階躍擾動(dòng)）</p><p>　　利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)

48、系的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　要求：寫(xiě)出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（3種不同幅值的階躍擾動(dòng)）,分析一下和模型的區(qū)別。</p><p>　　利用實(shí)驗(yàn)建模方法建立雙容水箱（上下串聯(lián)）的進(jìn)水流量（上水箱進(jìn)水）和水箱（下）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　要求：寫(xiě)出具體的建模步驟及結(jié)果，記錄該對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線（3種不同幅值的階躍擾動(dòng)）

49、</p><p>　　2.2實(shí)現(xiàn)單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　畫(huà)出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細(xì)說(shuō)明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的物理意義。說(shuō)明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。</p><p>　　采用經(jīng)驗(yàn)湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設(shè)定值發(fā)生階躍變化時(shí)，控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制質(zhì)量。</p><p&

50、gt;　　要求：在PID參數(shù)調(diào)試過(guò)程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)），并說(shuō)明你做參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整的原因，進(jìn)而掌握PID控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響。</p><p>　　控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，打開(kāi)旁路干擾閥（3種開(kāi)度模擬3種不同幅值的階躍擾動(dòng)），記錄與其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。&

51、lt;/p><p>　　打開(kāi)副回路進(jìn)水閥（3種開(kāi)度模擬3種不同幅值的階躍擾動(dòng)），記錄與其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。</p><p>　　思考：旁路流量的頻繁，劇烈變化對(duì)控制質(zhì)量有著嚴(yán)重的影響，有什么方法可以較好的抑制這個(gè)擾動(dòng)對(duì)控制質(zhì)量的影響。</p><p>　　副回路進(jìn)水的頻繁劇烈變化對(duì)控制質(zhì)量的

52、嚴(yán)重影響，有什么方法可以很好的抑制其對(duì)控制質(zhì)量的影響。</p><p>　　2.3實(shí)現(xiàn)雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　畫(huà)出此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖。詳細(xì)說(shuō)明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的物理意義。說(shuō)明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能。</p><p>　　采用經(jīng)驗(yàn)湊試法調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使液位設(shè)定值發(fā)生階躍變化時(shí)，

53、控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制質(zhì)量。</p><p>　　要求：在PID參數(shù)調(diào)試過(guò)程中，按控制質(zhì)量從壞到好分別（P，PI，PID）記錄6組以上的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)），并說(shuō)明你做參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整的原因，進(jìn)而掌握PID控制作用對(duì)控制質(zhì)量的影響。</p><p>　　控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，打開(kāi)旁路干擾閥（3種開(kāi)度模擬3種不同幅值的階躍擾動(dòng)），記錄與其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線

54、，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。</p><p>　　打開(kāi)副回路進(jìn)水閥（3種開(kāi)度模擬3種不同幅值的階躍擾動(dòng)），記錄與其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）（注意：在這種情況下，不要去調(diào)整PID參數(shù)）。</p><p>　　思考： 在這種情況下，和(2)中單回路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量有什么變化？為什么會(huì)有這樣的變化？</p><p&

55、gt;　　在這種情況下，你有什么辦法提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量？詳細(xì)說(shuō)明你的想法。</p><p>　　2.4實(shí)現(xiàn)水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　畫(huà)出此串級(jí)控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細(xì)說(shuō)明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的物理意義；說(shuō)明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會(huì)使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢(shì)。<

56、;/p><p>　　采用經(jīng)驗(yàn)湊試法調(diào)節(jié)主、副控制器參數(shù)，使控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制質(zhì)量。</p><p>　　要求：寫(xiě)出調(diào)試控制器參數(shù)的具體步驟。在PID參數(shù)調(diào)試過(guò)程中，記錄10組以上的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）來(lái)說(shuō)明你的調(diào)試過(guò)程，并說(shuō)明你做參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整的原因。</p><p>　　在設(shè)定值發(fā)生階躍變化（設(shè)定值階躍增大及設(shè)定值階躍減小）時(shí)，觀察并記錄

57、控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）。</p><p>　　打開(kāi)旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動(dòng)），記錄與其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）；并和（1）中的控制質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，分析并說(shuō)明控制質(zhì)量變化的原因。</p><p>　　打開(kāi)副回路進(jìn)水閥（較大幅值的階躍擾動(dòng)），記錄與其對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)）；并和（1）中的控制質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，分

58、析并說(shuō)明控制質(zhì)量變化的原因。</p><p>　　思考：串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于副回路進(jìn)水的頻繁劇烈變化具有一定的抑制作用，還有什么方法可以更好的抑制該擾動(dòng)對(duì)水箱液位的影響，使得控制質(zhì)量能夠進(jìn)一步提高。 </p><p>　　2.5實(shí)現(xiàn)副回路進(jìn)水流量的前饋控制</p><p>　　（提示：和水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級(jí)控制系統(tǒng)組成一個(gè)前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)）</p&

59、gt;<p>　　畫(huà)出此前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)的控制原理圖及方框圖，詳細(xì)說(shuō)明控制系統(tǒng)方框圖中的各部分環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的物理意義；說(shuō)明該控制系統(tǒng)的控制依據(jù)和控制功能；分析該控制系統(tǒng)和液位單回路控制系統(tǒng)相比有哪些變化，這些變化會(huì)使得該系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　試求解前饋控制器的模型。</p><p>　　采用簡(jiǎn)化模型代替前饋控制器，利用Matlab仿真軟件調(diào)節(jié)前饋控制器參數(shù)

60、，使得副回路進(jìn)水流量發(fā)生劇烈變化時(shí)，控制系統(tǒng)達(dá)到滿意的控制質(zhì)量。寫(xiě)出前饋控制器參數(shù)的調(diào)試步驟，記錄與其對(duì)應(yīng)的6組以上的控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程（包括：過(guò)渡過(guò)程曲線，控制質(zhì)量指標(biāo)），充分反映你的參數(shù)調(diào)試過(guò)程。</p><p><b>　　3. 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　3.1過(guò)程建模</b></p><p>&l

61、t;b>　　3.1.1實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)裝置中主要包含：不銹鋼儲(chǔ)水箱、串接圓筒有機(jī)玻璃左上水箱、左下水箱、右上水箱、右下水箱四容水箱。單相2.5KW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成）、純滯后水箱等實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路組成：一路由單相動(dòng)力循環(huán)水泵、電動(dòng)控制閥、電磁流量計(jì)、水管及手動(dòng)切換閥組成；另一路由動(dòng)力水泵、變頻調(diào)速器、渦輪流

62、量計(jì)、水管及手動(dòng)切換閥組成。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)裝置中檢測(cè)變送和執(zhí)行元件包括：壓力液位傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、控制閥等。實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3.1.1所示。</p><p>　　圖3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.1.2建立模型</b></p><p>　　單容水箱的

63、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1.2.1所示。</p><p>　　圖3.1.2.1 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　循環(huán)泵不斷供水，通過(guò)調(diào)解閥控制給水量，手動(dòng)可以改變調(diào)節(jié)閥的給定，流量Q1給定后，保持不變，液面越高流量Q2越大，自動(dòng)調(diào)節(jié)一段時(shí)間后Q1與Q2相等，液面平衡，系統(tǒng)就可以穩(wěn)定。</p><p>　　階躍響應(yīng)測(cè)試法是系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過(guò)

64、控制器或其他操作器，手動(dòng)改變對(duì)象的輸入信號(hào)（階躍信號(hào)），同時(shí)記錄對(duì)象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已給定對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定模型中各參數(shù)。</p><p>　　圖解法是確定模型參數(shù)的一種實(shí)用方法。不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水箱對(duì)象模型用一階加時(shí)滯環(huán)節(jié)來(lái)近似描述時(shí)，?？捎脙牲c(diǎn)法直接求取對(duì)象參數(shù)。 如圖3.1-1所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水

65、閥V2固定于某一開(kāi)度值。根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系，求得：</p><p>　　在零初始條件下，對(duì)上式求拉氏變換，得：</p><p>　　式中，T為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥V2的開(kāi)度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為單容對(duì)象的放大倍數(shù)，R1、R2分別為V1、V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1 的階躍變化量為R0，其拉氏變換式為Q1（S）=R0/S，R0為常

66、量，則輸出液位高度的拉氏變換式為：</p><p>　　即 </p><p><b>　　當(dāng)t=T時(shí)，則有：</b></p><p>　　當(dāng)t →∞時(shí)，h（∞）=KR0，因而有</p><p>　　K=h（∞）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入</p><p>　　一

67、階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖3.1.2.2所示。當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖3.1.2.2所示的階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對(duì)應(yīng)時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T，該時(shí)間常數(shù)T也可以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T，其理論依據(jù)是：</p><p>　　上式表示h（t）若以在原點(diǎn)時(shí)的速度h（∞）/T 恒速變化，即只要花T秒時(shí)間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h（∞）。</

68、p><p>　　圖3.1.2.2 階躍響應(yīng)曲線</p><p><b>　　設(shè)備的連接和檢查 </b></p><p>　　將實(shí)驗(yàn)裝置的儲(chǔ)水箱灌滿水（至最高高度）。</p><p>　　打開(kāi)主泵的支路（藍(lán)色閥門(mén)一路）至上水箱的所有閥門(mén)，關(guān)閉支路上通往其它對(duì)象的切換閥門(mén)。選擇3號(hào)水箱實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)閥V1,V4,V13，選擇4號(hào)水

69、箱實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)閥V1,V4,V14，關(guān)閉其他閥門(mén)。</p><p>　　打開(kāi)3（4）號(hào)上水箱泄水閥V31（V42），開(kāi)至適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度（注意此閥在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了需要改變對(duì)象特性外，不要隨意改變開(kāi)度，而且開(kāi)度不要太小，關(guān)上一點(diǎn)點(diǎn)即可。），關(guān)閉上下耦合閥V32，V41和水平耦合閥。</p><p>　　控制臺(tái)上將“左（右）上水箱液位”信號(hào)（1~5V）連接到PLC的模擬輸入模塊1的AI0端口，將PLC

70、的模擬量輸出的AO0通道信號(hào)（4～20mA）連接到“控制閥開(kāi)度”端子上連接時(shí)要注意正負(fù)極性。</p><p><b>　　啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　打開(kāi)電源帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)。</p><p>　　電源指示燈點(diǎn)亮，即可開(kāi)啟電源。</p><p>　　打開(kāi)檢測(cè)電源，主回路泵電源和電動(dòng)控制閥電源。</p

71、><p>　　開(kāi)啟控制臺(tái)上24V/S7-300PLC電源開(kāi)關(guān)，將PLC置于運(yùn)行。</p><p><b>　　C．實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p>　　啟動(dòng)計(jì)算機(jī)WinCC組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如圖3.1.2.3所示。</p><p>　　圖3.1.2.3實(shí)驗(yàn)軟件界面</p><p>　　開(kāi)

72、啟單相泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路。點(diǎn)擊設(shè)置輸出數(shù)值，設(shè)定輸出值的大小，這個(gè)值根據(jù)泄水閥的開(kāi)度來(lái)給定。將被控參數(shù)液位高度控制在20%（5cm）左右處。</p><p>　　觀察系統(tǒng)的被控量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄輸出值，以及水箱水位的高度h1和測(cè)量顯示值。</p><p>　　迅速增加手動(dòng)輸出值，增加5%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程參數(shù)，它們均可在上位軟件上獲得

73、。以所獲得的數(shù)據(jù)繪制變化曲線。</p><p>　　直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。再次記錄平衡時(shí)的下列數(shù)據(jù)。 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)記錄如表</p><p><b>　　表3.1.2.1</b></p><p>　?。扛?0秒記一個(gè)數(shù)）</p><p><b>　　表3.1

74、.2.2</b></p><p>　?。扛?0秒記一個(gè)數(shù)）</p><p><b>　　表3.1.2.3</b></p><p>　　（每隔60秒記一個(gè)數(shù)）</p><p>　　使用Matlab分別仿真得到曲線如圖</p><p>　　圖3.1.2.4

75、 圖3.1.2.5</p><p>　　由表3.1.2.1所得 由表3.1.2.2所得</p><p><b>　　圖3.1.2.6</b></p><p>　　由表3.1.2.3所得</p><p>　　三組數(shù)據(jù)分別計(jì)算T與K后求平均值得T＝２２７，Ｋ＝2

76、.39</p><p>　　副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型與主回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型類(lèi)似</p><p>　　實(shí)驗(yàn)階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)記錄如表</p><p><b>　　表3.1.2.7</b></p><p>　?。扛?0秒記一個(gè)數(shù)）</p><p><b

77、>　　表3.1.2.8</b></p><p>　?。扛?0秒記一個(gè)數(shù)）</p><p><b>　　表3.1.2.9</b></p><p>　?。扛?0秒記一個(gè)數(shù)）</p><p>　　使用Matlab分別仿真得到曲線如圖</p><p>　　圖3.1.2.4

78、 圖3.1.2.5</p><p>　　由表3.1.2.7得到 由表3.1.2.8得到 </p><p><b>　　圖3.1.2.6</b></p><p>　　由表3.1.2.9得到</p><p>　　三組數(shù)據(jù)分別計(jì)算T和K求均值得

79、Ｔ＝２３２，Ｋ＝２.７６</p><p>　　副回路流量和水箱（上）液位模型與主回路流量和水箱（上）液位模型差別在于給定方式不同，主回路可以給定電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量。副回路通過(guò)改變變頻器頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變進(jìn)水流量。</p><p>　　雙容水箱的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1.2.7所示。</p><p>　　圖3.1.2.7 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p

80、><p>　　圖3.1.2.8變化曲線</p><p>　　如圖3.1.2.7所示，這是由兩個(gè)一階非周期慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)起來(lái)，輸出量是下水箱的水位h2。當(dāng)輸入量有一個(gè)階躍增加Q1時(shí)，輸出量變化的反應(yīng)曲線如圖3.1.2.8所示的h2曲線。它不再是簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，而是就使控制對(duì)象的飛升特性在時(shí)間上更加落后一步。在圖中S形曲線的拐點(diǎn)P上作切線，它在時(shí)間軸上截出一段時(shí)間OA。這段時(shí)間可以近似地衡量由于多了

81、一個(gè)容量而使飛升過(guò)程向后推遲的程度，因此，稱(chēng)容量滯后，通常以τC代表之。</p><p>　　設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度h2為輸出量，根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　式中 K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分別為閥V2和V3的液阻，C1 和C2分別為上水箱和下水箱的容量系數(shù)。式中的K、T1和T2須

82、從由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線上求出。具體的做法是在圖2-7所示的階躍響應(yīng)曲線上?。?lt;/p><p>　　h2(t)穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2(∞)；</p><p>　　h2(t)|t= t1=0.4 h2 (∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；</p><p>　　h2(t)|t= t2=0.8 h2 (∞)時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。</p><p

83、>　　然后，利用下面的近似公式計(jì)算式(2-1)中的參數(shù)K、T1和T2。其中：</p><p>　　對(duì)于式（2-1）所示的二階過(guò)程，0.32〈t1/ t2〈0.46。當(dāng)t1/ t2=0.32時(shí) ，可近似為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)t1/ t2=0.46時(shí)，過(guò)程的傳遞函數(shù)G(S)=K/(TS+1)2（此時(shí)T1= T2=T=( t1+ t2)/2* 2.18 ）</p><p>　　圖3.1.2.9階躍

84、響應(yīng)曲線</p><p><b>　　設(shè)備的連接和檢查</b></p><p>　　打開(kāi)主泵的支路（藍(lán)色閥門(mén)一路）至上水箱的所有閥門(mén)，關(guān)閉支路上通往其它對(duì)象的切換閥門(mén)。選擇1號(hào)水箱實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)閥V1,V4,V13，選擇2號(hào)水箱實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)閥V1,V4,V14，關(guān)閉其他閥門(mén)。</p><p>　　打開(kāi)3（4）號(hào)水箱泄水閥V31（V42）和1（2）水箱

85、泄水閥V10（V20），開(kāi)至適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度，（注意這些閥在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了需要改變對(duì)象特性外，不要隨意改變開(kāi)度），關(guān)閉上下耦合閥V32，V41和水平耦合閥。</p><p>　　控制臺(tái)上將“左（右）下水箱液位信號(hào)”（1～5V）連接到PLC的模擬輸入模塊1的AI1端口，將PLC的模擬量輸出的AO0通道信號(hào)（4～20mA）連接到“控制閥開(kāi)度”端子上，連接時(shí)要注意正負(fù)極性。</p><p><b

86、>　　啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　打開(kāi)電源帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)。</p><p>　　電源指示燈點(diǎn)亮，即可開(kāi)啟電源。</p><p>　　打開(kāi)檢測(cè)電源，主回路泵電源和電動(dòng)控制閥電源。</p><p>　　開(kāi)啟控制臺(tái)上24V/S7-300PLC電源開(kāi)關(guān)，將PLC置于運(yùn)行。</p><p>&

87、lt;b>　　C實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p>　　啟動(dòng)計(jì)算機(jī)WinCC組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面如圖3.1-6所示。</p><p>　　開(kāi)啟主回路泵電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)動(dòng)力支路，設(shè)置輸出值將被控參數(shù)液位高度控制在20%處左右（一般為5cm）。</p><p>　　觀察系統(tǒng)的被控量——水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄輸出值，以及

88、水箱水位的高度h2和測(cè)量顯示值并填入表3.2-4。</p><p>　　迅速增加手動(dòng)輸出值，增加10%的輸出量，記錄此引起的階躍響應(yīng)的過(guò)程參數(shù)表3.2-5，均可在上位軟件上獲得各項(xiàng)參數(shù)和數(shù)據(jù)，并繪制過(guò)程變化曲線。</p><p>　　直到進(jìn)入新的平衡狀態(tài)。再次記錄測(cè)量數(shù)據(jù) 。</p><p>　　圖3.1.2.10 實(shí)驗(yàn)軟件界面</p><p&g

89、t;　　實(shí)驗(yàn)階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)記錄如表</p><p><b>　　表3.1.2.11</b></p><p>　?。扛簦常懊胗浺粋€(gè)數(shù)）</p><p><b>　　表3.1.2.12</b></p><p>　?。扛簦常懊胗浺粋€(gè)數(shù)）</p><p><b>　　

90、表3.1.2.13</b></p><p>　?。扛簦常懊胗浺粋€(gè)數(shù)）</p><p>　　使用Matlab仿真得到曲線如圖</p><p>　　圖3.1.2.11 圖3.1.2.12 </p><p>　　由表3.1.2.11得到

91、 由表3.1.2.12得到 </p><p><b>　　圖3.1.2.13</b></p><p>　　由表3.1.2.。13得到</p><p>　　三組數(shù)據(jù)分別計(jì)算T和K求均值得</p><p>　　T1=148，T2=423，K=2.95</p><p><b

92、>　　3.2單容水箱</b></p><p><b>　　3.2.1控制原理</b></p><p>　　圖3.2.1.1 單回路上水箱液位控制系統(tǒng)</p><p>　　液位變送器檢測(cè)液面高度與給定值做差，經(jīng)PID控制器處理之后控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，控制水箱流入量。</p><p>　　用一個(gè)控制器來(lái)控制

93、一個(gè)被控參數(shù)，而控制器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)中的被控參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回路液位控制，當(dāng)控制方案確定之后，接下來(lái)就是整定控制器的參數(shù)，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。</p><p>　　圖3.2.1.2示出了P、PI、PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別為①、②、③曲線。 </p&g

94、t;<p>　　圖3.2.1.2 P、PI和PID控制的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　3.2.2調(diào)節(jié)PID參數(shù)</p><p>　　A 設(shè)備的連接和檢查</p><p>　　將實(shí)驗(yàn)裝置的儲(chǔ)水箱灌滿水。</p><p>　　打開(kāi)主泵的支路（藍(lán)色閥門(mén)一路）至上水箱的所有閥門(mén)，關(guān)閉支路上通往其它對(duì)象的切換閥門(mén)。選擇3號(hào)水箱實(shí)驗(yàn)

95、時(shí)打開(kāi)閥V1,V4,V13，選擇4號(hào)水箱實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)閥V1,V4,V14，關(guān)閉其他閥門(mén)。</p><p>　　打開(kāi)3（4）號(hào)上水箱泄水閥V31（V42），開(kāi)至適當(dāng)?shù)拈_(kāi)度（注意此閥在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了需要改變對(duì)象特性外，不要隨意改變開(kāi)度），關(guān)閉上下耦合閥V32，V41和水平耦合閥。</p><p>　　控制臺(tái)上將“左（右）上水箱液位”信號(hào)（1~5V）連接到PLC的模擬輸入模塊1的AI0端口，將PL

96、C的模擬量輸出的AO0通道信號(hào)（4～20mA）連接到“控制閥開(kāi)度”端子上連接時(shí)要注意正負(fù)極性。</p><p><b>　　B 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　打開(kāi)電源帶漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)。</p><p>　　電源指示燈點(diǎn)亮，即可開(kāi)啟電源。</p><p>　　打開(kāi)檢測(cè)電源，主回路泵電源和電動(dòng)控制閥電源。&l

97、t;/p><p>　　開(kāi)啟控制臺(tái)上24V/S7-300PLC電源開(kāi)關(guān)，將PLC置于運(yùn)行。</p><p><b>　　C 實(shí)驗(yàn)步驟</b></p><p>　　當(dāng)PID控制算法中只有比例控制作用有效時(shí)：</p><p>　　啟動(dòng)計(jì)算機(jī)WinCC組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如圖3.1-13所示。</p>

98、<p>　　圖3.2.1.3 實(shí)驗(yàn)軟件界面</p><p>　　設(shè)定給定值，設(shè)定調(diào)整比例系數(shù)（Kp），設(shè)定Ti值為無(wú)窮大，Td為0，此時(shí)PID控制器只有比例環(huán)節(jié)。（關(guān)于PID參數(shù)的設(shè)定，建議利用實(shí)驗(yàn)1的結(jié)果直接估算PID參數(shù)）</p><p>　　待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對(duì)系統(tǒng)加階躍信號(hào)（一般可通過(guò)改變液位的設(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小

99、。</p><p>　　減小比例系數(shù)重復(fù)步驟3，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。</p><p>　　增大比例系數(shù)重復(fù)步驟3，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，并記錄余差大小。</p><p>　　選擇合適的比例系數(shù)，可以得到較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。改變?cè)O(shè)定值（如設(shè)定值由50％變?yōu)?0％），同樣可以得到一條過(guò)渡過(guò)程曲線。</p><p>　　注意：每當(dāng)做完一

100、次試驗(yàn)后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗(yàn)。</p><p>　　當(dāng)PID控制算法中比例+積分控制作用有效時(shí)： </p><p>　　在比例控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置積分時(shí)間（Ti）不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證PI控制下，系統(tǒng)對(duì)階躍擾動(dòng)無(wú)余差存在。</p><p>　　固定比例系數(shù)值（中等大小），改變PI控制器的積分時(shí)間常數(shù)值Ti，

101、然后觀察加階躍擾動(dòng)后被控量的輸出波形。</p><p>　　固定積分時(shí)間一中間值，然后改變比例系數(shù)的大小，觀察加擾動(dòng)后被控量輸出的動(dòng)態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值Ti下的超調(diào)量σp。</p><p>　　選擇合適的K和Ti值，使系統(tǒng)對(duì)階躍輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。此曲線可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來(lái)獲得。</p><p>　　當(dāng)PI

102、D控制算法中比例積分微分控制作用都有效時(shí)： </p><p>　　在PI控制器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置微分時(shí)間（Td）參數(shù)，然后加上與前面實(shí)驗(yàn)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動(dòng)態(tài)曲線，并與PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分時(shí)間（Td）對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p><p>　　選擇合適的K、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線（

103、階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來(lái)實(shí)現(xiàn)）。</p><p>　　在歷史曲線中選擇一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線進(jìn)行記錄。</p><p>　　D 用臨界比例度法整定控制器的參數(shù)</p><p>　　用臨界比例度法整定PID控制器參數(shù)的具體做法是：</p><p>　　在只有比例控制作用下（將積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到最?。劝驯壤禂?shù)

104、K放在較小值上，然后逐步增加控制器的比例系數(shù)，并且每當(dāng)增加一次比例系數(shù)，待被控量回復(fù)到平衡狀態(tài)后，再手動(dòng)給系統(tǒng)施加一個(gè)5%~15%的階躍擾動(dòng)，觀察被控量變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。若被控量為衰減的振蕩曲線，則應(yīng)繼續(xù)增加比例系數(shù)，直到輸出響應(yīng)曲線呈現(xiàn)等幅振蕩為止。如果響應(yīng)曲線出現(xiàn)發(fā)散振蕩，則表示比例系數(shù)控制得過(guò)大，應(yīng)適當(dāng)減少，使之出現(xiàn)等幅振蕩。圖3.2.1.4為它的實(shí)驗(yàn)方塊圖。</p><p>　　圖3.2.2.4 具有比例

105、控制器的閉環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　在圖3.2.2.5系統(tǒng)中，當(dāng)被控量作等幅蕩時(shí)，此時(shí)的比例系數(shù)K就是臨界比例系數(shù)，用Km表示之，此時(shí)的臨界比例度為δk，δk＝1/Km，相應(yīng)的振蕩周期就是臨界周期Tm。據(jù)此，按下表可確定PID控制器的三個(gè)參數(shù)δ、Ti和Td。</p><p>　　圖3.2.2.5 具有周期Tm的等幅振蕩</p><p>　　表格中給出的參數(shù)值是對(duì)控

106、制器參數(shù)的一個(gè)初略設(shè)計(jì)，因?yàn)樗歉鶕?jù)大量實(shí)驗(yàn)而得出的結(jié)論。若要更滿意的動(dòng)態(tài)過(guò)程（例如：在階躍作用下，被調(diào)參量作4：1的衰減振蕩），則要在表格給出參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)δ、Ti（或Td）作適當(dāng)調(diào)整。</p><p>　　由Simulink仿真得：</p><p>　　圖3.2.2.6 圖3.2.2.7</p><p>　　圖3.2

107、.2.6（p=100）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為5秒，余差很小</p><p>　　圖3.2.2.7（p=1000）放大后能看出液面并不穩(wěn)定，上下波動(dòng)</p><p><b>　　圖3.2.2.8</b></p><p>　　圖3.2.2.8（P=200）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為2.5秒，時(shí)間縮短，余差任然很小，所以取p=200</p><p&g

108、t;　　圖3.2.2.9 圖3.2.2.10</p><p>　　圖3.2.2.9(pi10000)超調(diào)70%，調(diào)節(jié)時(shí)間3s，上升時(shí)間0.2秒</p><p>　　圖3.2.2.10(pi1000）超調(diào)40%，調(diào)節(jié)時(shí)間2.2s，上升時(shí)間0.4s</p><p>　　圖3.2.2.11

109、 圖3.2.2.12</p><p>　　圖3.2.2.11(pi100)超調(diào)10%，調(diào)節(jié)時(shí)間4s，上升時(shí)間1s</p><p>　　圖3.2.2.12（pi500）超調(diào)30%，調(diào)節(jié)時(shí)間3s，上升時(shí)間0.5s</p><p>　　圖3.2.2.13 圖3.2.2.14</p><p>　

110、　圖3.2.2.13（pi300）超調(diào)23%，調(diào)節(jié)時(shí)間2.7s，上升時(shí)間0.5s超調(diào)量較小，調(diào)調(diào)節(jié)時(shí)間較短，取i=300s</p><p>　　圖3.2.2.14（PID100）超調(diào)量調(diào)節(jié)時(shí)間上升時(shí)間都變大</p><p>　　圖3.2.2.15 圖3.2.2.16</p><p>　　圖3.2.2.15（pid1）與相應(yīng)pi

111、調(diào)節(jié)比較幾乎沒(méi)有改善性能</p><p>　　圖3.2.2.超調(diào)23%，調(diào)節(jié)時(shí)間2.7s，上升時(shí)間0.5s</p><p>　　最后取p=200，i=300，d=10</p><p><b>　　3.2.3旁路干擾</b></p><p>　　圖3.2.3.1 圖3.2.3.2&

112、lt;/p><p>　　圖3.2.3.1干擾階躍1。超調(diào)11%，調(diào)節(jié)時(shí)間4s，震蕩次數(shù)2</p><p>　　圖3.2.3.2超調(diào)16%，調(diào)節(jié)時(shí)間4s，震蕩次數(shù)2</p><p>　　圖3.2.3.3 </p><p>　　圖3.2.3.3超調(diào)21%，調(diào)節(jié)時(shí)間5s，震蕩次數(shù)2</p><p>　　3.2.4副回路干擾&l

113、t;/p><p>　　圖3.2.4.1 圖3.2.4.2</p><p><b>　　圖3.2.4.1</b></p><p><b>　　思考題</b></p><p>　　旁路流量的頻繁，劇烈變化對(duì)控制質(zhì)量有著嚴(yán)重的影響，有什么方法可以較好的抑制這個(gè)擾動(dòng)

114、對(duì)控制質(zhì)量的影響。</p><p>　　答：可以在系統(tǒng)中再加入一個(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制。擾動(dòng)較小時(shí)，通過(guò)副環(huán)回路的調(diào)節(jié)，可以完全克服擾動(dòng)對(duì)主變量的影響。擾動(dòng)較大時(shí)，通過(guò)副環(huán)回路的調(diào)節(jié)，可以大大削弱擾動(dòng)對(duì)主變量的影響。</p><p>　　副回路進(jìn)水的頻繁劇烈變化對(duì)控制質(zhì)量的嚴(yán)重影響，有什么方法可以很好的抑制其對(duì)控制質(zhì)量的影響。</p><p>　　答：可以在系統(tǒng)中加

115、入一個(gè)前饋?zhàn)饔谩?duì)于可測(cè)擾動(dòng)，在使被控量出現(xiàn)偏差前，控制作用就產(chǎn)生了。若前饋模型準(zhǔn)確，則理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全補(bǔ)償。特別是對(duì)大的擾動(dòng)，若補(bǔ)償?shù)卯?dāng)，前饋控制品質(zhì)明顯地優(yōu)于反饋控制。</p><p><b>　　3.3雙容水箱</b></p><p><b>　　3.3.1控制原理</b></p><p>　　圖3.3.1

116、.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　圖3.3.1.1雙容水箱液位控制系統(tǒng)有兩個(gè)水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.3.2PID參數(shù)</p><p>　　由simulink仿真得</p><p>　　圖3.

117、3.2.1 圖3.3.2.2</p><p>　　圖3.3.1.1（p10）超調(diào)45%，余差0.05</p><p>　　圖3.3.2. 2p=1)余差0.25</p><p>　　圖3.3.2.3 圖3.3.2.4 </p><p>　　圖3.3.2.3(p=

118、3)余差0.1取p=3</p><p>　　圖3.3.2.4（pi0.1）系統(tǒng)發(fā)散</p><p>　　圖3.3.2.5 圖3.3.2.6</p><p>　　圖3.3.2.5pi0.01超調(diào)50%，調(diào)節(jié)時(shí)間950上升時(shí)間170</p><p>　　圖3.3.2.6pi0.004超調(diào)27%，調(diào)

119、節(jié)時(shí)間750，上升時(shí)間180。取i=0.004</p><p>　　圖3.3.2.7 圖3.3.2.8 </p><p>　　圖3.3.2.7（pid50）與相應(yīng)pi調(diào)節(jié)性能指標(biāo)基本相同 </p><p>　　圖3.3.2.8（pid200）微分過(guò)強(qiáng)調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)</p><p>　　圖3

120、.3.2.9 </p><p>　　圖3.3.2.9（pid130）上升時(shí)間210調(diào)節(jié)時(shí)間600，超調(diào)10%</p><p>　　取p=3，i=0.004，d=130。</p><p><b>　　3.3.3旁路干擾</b></p><p>　　圖3.3.3.1 圖3.3.3.

121、2</p><p>　　圖3.3.3.1階躍0.1</p><p>　　圖3.3.3.2階躍0.2</p><p><b>　　圖3.3.3.3</b></p><p>　　圖3.3.3.3階躍0.3</p><p>　　3.3.4副回路干擾</p><p>　　圖3.3.

122、4.1 圖3.3.4.2</p><p><b>　　圖3.3.4.3</b></p><p>　　圖3.3.4.1, 圖3.3.4.2, 圖3.3.4.3圖3.3.4.為副回路干擾曲線</p><p><b>　　思考題</b></p><p>　　

123、在這種情況下，和2.2中單回路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量有什么變化？為什么會(huì)有這樣的變化？</p><p>　　答：相比單容單回路系統(tǒng)的控制質(zhì)量穩(wěn)定性變差了。因?yàn)殡p容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，通過(guò)控制上水箱液位間接控制下水箱液位，進(jìn)而減弱了PID控制器對(duì)下液面的控制。</p><p>　　在這種情況下，你有什么辦法提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量？詳細(xì)說(shuō)明你的想法。</p><p>　　

124、答：可以在系統(tǒng)中再加入一個(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制。副控制器調(diào)節(jié)上水箱液位，主控制器調(diào)節(jié)下水箱液位，從而當(dāng)擾動(dòng)較小時(shí)，通過(guò)副環(huán)回路的調(diào)節(jié)，可以完全克服擾動(dòng)對(duì)主變量的影響；當(dāng)擾動(dòng)較大時(shí)，通過(guò)副環(huán)回路的調(diào)節(jié)，可以大大削弱擾動(dòng)對(duì)主變量的影響。</p><p><b>　　3.4串級(jí)控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　3.4.1控制原理</b>&l

125、t;/p><p>　　圖3.4.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　系統(tǒng)具有2個(gè)控制器、2 個(gè)閉合回路和兩個(gè)執(zhí)行對(duì)象。2個(gè)控制器分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的控制器稱(chēng)主控制器，設(shè)在副回路的控制器稱(chēng)為副控制器。兩個(gè)控制器串聯(lián)連接，主控制器的輸出作為副回路的給定量。串級(jí)系統(tǒng)由于增加了副回路，對(duì)于進(jìn)入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強(qiáng)的抑制作用，因此作用于副環(huán)的干擾對(duì)主被控量的影響就比較小。

126、</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時(shí)。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強(qiáng)。因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。</p><p>　　3.4.2PID參數(shù)</p><p>　　圖3.4.2.2

127、 圖3.4.2.3 </p><p>　　圖3.4.2.2圖3.4.2.3 p=100時(shí)響應(yīng)更快取p=100</p><p>　　圖3.4.2.4 圖3.4.2.5</p><p>　　圖3.4.2.4i=10</p><p>　　圖3.4.2.5i=

128、40</p><p>　　圖3.4.2.6 圖3.4.2.7</p><p>　　圖3.4.2.6主回路p=100輕微震蕩</p><p>　　圖3.4.2.7P=40</p><p>　　圖3.4.2.8 圖3.4.2.9</p><p&

129、gt;　　圖3.4.2.8i=10超調(diào)40%，調(diào)節(jié)時(shí)間100</p><p>　　圖3.4.2.9i=1調(diào)節(jié)時(shí)間150超調(diào)10%</p><p>　　圖3.4.2.10 圖3.4.2.11</p><p>　　圖3.4.2.10i=3調(diào)節(jié)時(shí)間100，超調(diào)20%</p><p>　　圖3.4.2.11i=

130、1</p><p>　　圖3.4.1.12 圖3.4.1.13</p><p>　　圖3.4.1.12i=5</p><p>　　圖3.4.1.13i=10</p><p>　　取副回路p=100，i=40，主回路p=40，i=3，d=5。</p><p><b&g

131、t;　　3.4.3旁路干擾</b></p><p>　　圖3.4.3.1 圖3.4.3.2</p><p>　　圖3.4.3.1階躍擾動(dòng)1</p><p>　　圖3.4.3.2階躍擾動(dòng)2</p><p><b>　　圖3.4.3.3</b></p>

132、<p>　　圖3.4.3.3階躍擾動(dòng)3</p><p>　　3.4.4副回路干擾</p><p>　　圖3.4.4.1 圖3.4.4.2 </p><p><b>　　圖3.4.4.3</b></p><p>　　圖3.4.4.1、圖3.4.4.2、圖3.

133、4.4.3 為副回路擾動(dòng)曲線</p><p><b>　　思考題</b></p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于副回路進(jìn)水的頻繁劇烈變化具有一定的抑制作用，還有什么方法可以更好的抑制該擾動(dòng)對(duì)水箱液位的影響，使得控制質(zhì)量能夠進(jìn)一步提高。 </p><p>　　答：可以引入一個(gè)前饋環(huán)節(jié)，將副回路進(jìn)水的擾動(dòng)引入主控制器，從而進(jìn)一步消除副回路進(jìn)水的擾動(dòng)。

134、</p><p><b>　　3.5前饋控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　3.5.1控制原理</b></p><p>　　典型的前饋控制系統(tǒng)如下圖所示：</p><p>　　圖3.5.1.1前饋控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖3.5.1.2前饋-串級(jí)復(fù)合控制系

135、統(tǒng)的控制方框圖</p><p>　　Wc1(s)、Wc(s)是主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器 Wo2(s)、Wo1(s)是副執(zhí)行器、主執(zhí)行器</p><p>　　Wm(s)、Wf(s)是前饋控制器和擾動(dòng)傳函</p><p>　　前饋控制是根據(jù)被控變量不變性原理設(shè)計(jì)的，有動(dòng)態(tài)不變性、靜態(tài)不變性和絕對(duì)不變性等原理。它要對(duì)被控過(guò)程有充分了解，以得到前饋控制器的數(shù)學(xué)模型。前饋控制器

136、的數(shù)學(xué)模型一般可表達(dá)為：</p><p>　　式中：——前饋控制器的傳遞函數(shù)</p><p>　　——干擾通道的傳遞函數(shù)</p><p>　　——對(duì)象通道的傳遞函數(shù)</p><p>　　事實(shí)上，要按（4.1－1）式實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，在很多情況下只有理論意義，實(shí)際做不到。在工業(yè)對(duì)象中，存在許多擾動(dòng)因素，實(shí)際上只能選擇一兩個(gè)主要的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，而其

137、余的擾動(dòng)仍會(huì)使被控量發(fā)生偏差。</p><p>　　前饋－反饋控制系統(tǒng)將前饋與反饋結(jié)合起來(lái)，選擇對(duì)象中主要的一些干擾作為前饋信號(hào)，對(duì)其它引起被調(diào)參數(shù)變化的各種干擾則采用反饋控制系統(tǒng)來(lái)克服，從而充分利用了這兩種控制作用的優(yōu)點(diǎn)，使控制質(zhì)量進(jìn)一步提高。</p><p>　　圖3.5.1.3本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的前饋－反饋控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3.5.2

138、求解模型</b></p><p>　　式中：——前饋控制器的傳遞函數(shù)</p><p>　　——干擾通道的傳遞函數(shù)</p><p>　　——對(duì)象通道的傳遞函數(shù)</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　3.5.3參數(shù)調(diào)試</b><

139、/p><p>　　圖3.5.3.1 圖3.5.3.2</p><p>　　圖3.5.3.1不加前饋階躍擾動(dòng)0.5</p><p>　　圖3.5.3.2加前饋階躍擾動(dòng)0.5</p><p>　　圖3.5.3.3 圖3.5.3.4</p>&

140、lt;p>　　圖3.5.3.3不加前饋階躍擾動(dòng)1.5</p><p>　　圖3.5.3.4加前饋階躍擾動(dòng)1.5</p><p>　　圖3.5.3.5 圖3.5.3.6</p><p>　　圖3.5.3.5不加前饋階躍擾動(dòng)1</p><p>　　圖3.5.3.6加前饋階躍擾動(dòng)1</p&g