基于mcgs双容水箱的液位控制系统的设计

基于mcgs双容水箱的液位控制系统的设计内容摘要：

OB 即为对象的滞后时间τ， BC 为对象的时间常数 T，所得的传递函数为： H(S)= TsKes1  (218） 在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。 通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小 ,改变上水箱 /下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。 在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号： (1) 通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。 (2) 通 过在 MCGS 监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度 ,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。 图 水箱模型测定原理图 控制进水量 供水 施加阶跃输入信号 阶跃响应输出 电动磁力泵 电动调节阀 中水箱 /下水箱 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） 16 图 22 双容水箱对象特性测试系统 (a)结构图 (b)方框图 由图 22 所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联组成，故称其为双容对象。 自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。 根据 单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述： G(s)=G1(s)G2(s)=)1sT)(1sT( K1sT k1sT k 212 21 1  (221） 式中 K＝ k1k2，为双容水箱的放大系数， T T2分别为两个水箱的时间常数。 本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图 210所示。 由图 210 可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图 210 (a)）；而下水箱液位的响应 曲线则呈 S形曲线（图 210 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀 F110 和 F111的开度大小密切相关。 图 210 双容水箱液位的阶跃响应曲线 （ a）中水箱液位 （ b）下水箱液位 第 1 章 前言 17 双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。 在图 211 所示的阶跃响应曲线上求取： (1) h2（ t） |t=t1= h2(∞ )时曲线上的点 B 和对应的时间 t1； (2) h2（ t） |t=t2= h2(∞ )时曲线上的点 C 和对应的时间 t2。 211112thhthhhhh (223， 223 ， 224） 图 211 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式 10050x )(K 2 干扰智能仪表输出值的阶跃 液位变化量阶跃输入量输入稳态值  Oh (225) 2121  (226) )()T(T TT 21221 21  tt (227) 〈 t1/t2〈 由上述两式中解出 T1和 T2，于是得到如式（ 29）所示的传递函数。 在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞 后特性，这时可由 S 形曲线的拐点 P 处作一切线，它与时间轴的交点为 A， OA 对应的时间即为对象响应的滞后时间 。 于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为： G（ S） =)1)(1( 21  STST KSe (228) 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） 18 （ 3） 实验数据： 表 21 双容水箱特性测试数据 开始时间/t 第一次水位 /h1 t1 第二次水位 /h2 t2 开度变化范围 1 15:21:31 15:26:21 15:32:01 40→50 2 16:39:36 16:44:31 16:53:06 40→50 3 9:16:22 9:21:02 9:29:02 40→50 4 10:52:27 10:57:12 11:06:42 40→50 5 14:51:02 14:56:18 15:06:18 40→45 6 15:56:37 16:01:57 16:12:27 35→45 7 16:43:02 16:48:22 13 16:58:42 40→50 8 17:57:30 18:03:10 18:14:30 45→50 9 9:20:51 9:25:21 9:34:09 40→50 10 10:31:51 10:36:36 11:44:21 40→50 11 11:37:02 11:42:12 11:52:22 40→50 12 14:32:47 14:37:57 14:48:17 40→50 13 15:30:01 15:35:31 15:46:11 30→40 14 9:06:49 9:14:09 9:30:19 40→50 15 10:28:55 10:36:25 10:50:05 40→ 50 参数整定： K 1 96Ts 2 417Ts 106   12 2 . 3 4( 1 ) ( 1 ) ( 9 6 1 ) ( 4 1 7 1 )SSs KG e eT S T S S S      第 3 章 系统控制系统方案设计与仿真 19 第 3 章 系统控制方案设计与仿真 控制方案设计是过程控制系统设计的核心，需要以被控过程模型和系统性能要求为依据，合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，选择检测、变送器和选择执行器。 选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作用。 系统控制方案设计 PID 控制系统 目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用， PID控制技术日趋成熟。 先进的 PID 控制方案和智能 PID 控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。 现在有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器 (PLC)，还有可实现 PID 控制的计算机系统等。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作 可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 图 PID控制基本原理图 PID 控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值 r(t)与实际值 y(t)构成控制偏差： )()()( tytrte 。 PID 控制规律为： y(t) + + r(t) r (t) 比例 P 积分 I 微分 D 被控对象 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） 20 ])()(1)([)(0 dttdeTdteTiteKptU t   或以传递函数形式表示： )11()( )()( T dsT iskpsE sUsG  式中， KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下 ： （ 1）比例控制（ P）：比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。 但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 （ 2）积分控制（ I）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大 使稳态误差进一步减小，直到等于零。 但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。 比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （ 3）微分控制（ D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 所以在控制器中仅引 入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。 第 3 章 系统控制系统方案设计与仿真 21 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法分为两大类： 一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学 模型，经过理论计算确定控制器参数。 由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。 三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 （一）经验法 若将 控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。 表 31 为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。 若需加微分作用，微分时间常数按 TD=(31 ～ 41 )TI 计算。 表 31 经验法整定参数 系 统 参 数 δ(%) TI(min) TD(min) 温 度 20～ 60 3～ 10 ～ 3 流 量 40～ 100 ～ 1 / 压 力 30～ 70 ～ 3 / 液 位 20～ 80 / / (二 )临界比例度法 图 34 具有周期 TS的等幅振荡 西安交通大学城市学院本科生毕业设计（论文） 22 这种整定方法是在闭环情况下进行的。 设 TI=∞， TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图34 所示。 根据临界比例度δ k 和振荡周期 TS，按表 32 所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以得到 4： 1 衰减为目标。 表 32 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数 调节器名称 δ TI(S) TD(S) P 2δk / / PI TS/ / PID 临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。 首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。 在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。 （三）衰减曲线法（阻尼振荡法） 图 35 4： 1 衰减曲线法图形 在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图 35 所示的 4： 1 衰减过程为止。 这时的比例度称为 4： 1 衰减比例度，用δ S 表示之。 相邻两波峰间的距离称为 4： 1 衰减周期 TS。 根据δ S 和 TS，运用表 33 所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。 表 33 衰减曲线法计算公式 调节器参数 δ（ %） TI(min) TD(min) 第 3 章 系统控。