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1、二O—三〜二O—四学年第一学期信息科学与工程学院庁果程设计扌艮告书课程名称：过程控制与集散系统课程设计班级：学号：姓名：指导教师：二O—三年T-一月一、题目、任务及要求1.设计题目双容水箱液位前馈一反馈控制系统设计2.设计任务如图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,在支路一中通过变频器对下水箱液位施加干扰，支路二则设置调节阀为保持下水箱液位恒定。试设计前馈一反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。图1双容水箱液位控制系统示意图3.设计要求设上、下水箱系统均以进水量为输入、水箱水位高度为输出，且均可用一阶惯性环节近似，其中上水
2、箱系统的稳态增益为2,惯性时间常数为10；下水箱系统稳态增益为1,惯性时间常数为学号后两位（T=84）。两水箱串联工作。1）当只有第二支路向上水箱注水时，试对该双容水箱液位系统的动态特性进行仿真，并画出相应的单位阶跃响应曲线。若用一阶惯性环节对该双容对象加以近似，试用作图法确定相应的模型参数，并比较新建模型与原模型的单位阶跃响应。2）当笫二支路投运10s后，第一支路由变频器控制向上水箱注水施加干扰，干扰量位均值为0、方并为0.01的白噪声，试对该双容水箱液位系统在此种情况下的动态过程进行仿真；3）针对双容水箱液位系统设计单冋路控制，要求画出控制系统方
3、框图，并分別对控制系统在有、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；4)针对该受扰的液位系统设计前馈一反馈控制，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。二、双容水箱系统模型的建立通过机理建模可以得知多容水箱的传递函数为匹«E+1XU•畑I我们口J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SaSSSm=—(呵t=牙r(5.10)e=
4、i求得错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。即可。对于本实验中的双容水箱系统，由于双容系统为二阶系统，系统相关参数己给出,Ko=2,Ti=10,Ki=l,T2=84,,D=1由此，可知双容水箱系统的闭环传函为：G(S)二.2(10S+l)(84S+l)+2三、双容水箱系统的SIMULINK仿真3.1双容水箱系统的仿真分析上而讨论了系统的建模方法并实际测得了水箱液位控制的传递函数。在设计控制器Z前，先要对系统进行MATLAB仿真，得到较平滑精确的曲线，对其进行稳定性分析，进而明确设计的方向。在此基础上，述要分析系统的动态、稳态性能，从而明确所设计控
5、制器期望达到的控制质量。以典型的多阶系统——二阶系统为例进行分析。上而，已经求得双容水箱液位控制系统的开环传递函数为：G(S)=@(S)/(S)2i(5)'Qi(S)2(10S+1)(845+1)近似后的一阶系统仿真框图如F：2■■1185s+4■■StepTransferFenTransportScopeDelaySIMULINK仿真，系统结构框图如下:图3.2双容水箱液位开坏响应曲线由上图看出开坏系统到达稳态的时间为400s,不具备调节能力3.2采用一阶惯性环节对双容系统加以近似由作图法知：K=2,尸20,T=85,近似后的系统模型为G(S)=2
6、*严"85S+1近似后的一阶系统响应曲线如下:21.81.61.41.210.80.60.40.2niIiii一—丁-—ii1•I■Jrjfj■f•9999■■■■■■•■■■■■■■■■■■)••••••••••*•••••••••••<>•••・•・・•・・•((*■■■■■■■■■■■<:Jyf■…………jC••••••••fJr■*■.,、，、，、、,、，、II1■•••••A•••e,iiI£1■iiiiiiiiIi1050100150200250300350400450Eimacffwt0与原模型的响应曲线对比可知，响应曲线很接近（横
7、轴比例不同，视图有差界），在起始阶段延迟稍大。3.3闭环系统仿真开环系统不具备调节能力，需引入反馈，该二阶系统的闭环传递函数为：①(S)=H2(S)2Qi(S)~(105+1)(845+1)+2闭环系统SIMULINK仿真根图如下:闭环系统单位阶跃响应曲线如图3.3所示0.70.60.50.40.30.20.1°020406080100120140160图3.3双容水箱液位闭环响应曲线从图上标示可以看到该系统稳态特性和动态特性的相关参数:超调量a%=0无超调调节吋间Ts=100s调节吋间仍然较长稳态值为0.67余差较大从以上参数不难看出系统存在余差，
8、且余差较大，不符合系统耍求。另外,系统的调节时间比较长，这在后续的设计中是需要改进的。尽可能做到：系统无静差
