課程設(shè)計(jì)報(bào)告---水箱液位控制系統(tǒng)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p>

2、<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012.05.07—2012.05.25 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在過(guò)程工業(yè)中被控制量通常有以下四種: 液位、壓力、流量、溫度。而液位不僅是工業(yè)過(guò)程中常見(jiàn)的參數(shù)，且便于直接觀察， 也容易測(cè)量。過(guò)程時(shí)

3、間常數(shù)一般比較小。以液位過(guò)程構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可靈活地進(jìn)行組態(tài)，實(shí)施各種不同的控制方案。 液位控制裝置也是過(guò)程控制最常用的實(shí)驗(yàn)裝置。國(guó)外很多實(shí)驗(yàn)室有此類(lèi)裝置， 如瑞典LUND大學(xué)等。 很多重要的研究報(bào)告、模擬仿真均出自此類(lèi)裝置!</p><p>　　本次設(shè)計(jì)也是基于這套水箱液位控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這套系統(tǒng)由多個(gè)水箱，液位檢測(cè)變送器，電磁流量計(jì)，渦輪流量計(jì)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，控制面板等喝多器件構(gòu)成。</p>&l

4、t;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>　　這次首先是用一天半的時(shí)間讓我們熟悉各種建模的方法。學(xué)會(huì)建立了最初的四種模型。接著后幾天就是開(kāi)始

5、熟悉各種控制系統(tǒng)，以及運(yùn)用它們?nèi)タ刂扑涞囊何?，從而更加深刻的理解控制的概念。并且在過(guò)程中，要熟練學(xué)會(huì)調(diào)整PID的參數(shù)，學(xué)會(huì)使用MATLAB等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：水箱液位 PID控制 串級(jí)控制 前饋控制 經(jīng)驗(yàn)湊試法</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)控制中,過(guò)程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支

6、。在本世紀(jì)30 年代就已有應(yīng)用。過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展至今天, 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)控制時(shí)期內(nèi)，過(guò)程控制系統(tǒng)又經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段, 它們是：分散控制階段, 集中控制階段和集散控制階段。</p><p>　　目前，過(guò)程控制正朝高級(jí)階段發(fā)展，不論是從過(guò)程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過(guò)程控制發(fā)展的必要性、可能性來(lái)看，過(guò)程控制是朝綜合化、智能化方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)：以智

7、能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫(kù)到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。</p><p>　　隨著信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)在過(guò)程工業(yè)的廣泛應(yīng)用，過(guò)程控制系統(tǒng)在過(guò)程工業(yè)中愈顯重要。過(guò)程控制從應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)至今經(jīng)歷了一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程。在過(guò)程控制中，通常對(duì)液位、溫度、壓力、流量等參數(shù)進(jìn)行控制。其中，液位控制技術(shù)在國(guó)民生活、

8、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，如民用水塔供水，精餾塔液位控制，鍋爐氣泡液位控制等。液位控制的準(zhǔn)確度與精度都直接或間接地影響著生產(chǎn)、生活的質(zhì)量與安全。為了保證安全、合理高效生產(chǎn)，急需開(kāi)展先進(jìn)的液位控制方法和策略的研究和開(kāi)發(fā)。</p><p>　　水箱液位控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)先進(jìn)液位控制策略的一個(gè)開(kāi)放式平臺(tái)，具有觀察直觀、測(cè)量容易、組態(tài)靈活，可實(shí)施各種相異的控制方案，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員基于該類(lèi)裝置做出了重要的研究報(bào)

9、告，以驗(yàn)證重要的理論成果和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。然而，目前我國(guó)這類(lèi)控制實(shí)驗(yàn)裝置主要用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在著實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)誤差較大、實(shí)驗(yàn)對(duì)象過(guò)于單一等不足。因此，開(kāi)發(fā)具有科研功能的試驗(yàn)裝置具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p>　　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)（

10、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)水閥和主管道進(jìn)水流量之間關(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。</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)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（2種不同幅值的階躍擾

11、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)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（2種不同幅值的階躍擾動(dòng)）</p><p>　?、堇脤?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

12、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（2種不同幅值的階躍擾動(dòng)）</p><p>　　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

13、躍變化時(shí)，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)

14、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>　　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。<

15、/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>　　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&

16、gt;　　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>　　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

17、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>　　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

18、什么變化？為什么會(huì)有這樣的變化？</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>　　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

19、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>　　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

20、值發(fā)生階躍變化（設(shè)定值階躍增大及設(shè)定值階躍減?。r(shí)，觀察并記錄控制系統(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)

21、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>　　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>　　實(shí)現(xiàn)副回路進(jìn)水流量的前饋控制</p><p>　?。ㄌ崾荆汉退洌ㄉ希┮何坏膯位芈房刂葡?/p>

22、統(tǒng)組成一個(gè)前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)）</p><p>　　畫(huà)出此前饋-反饋復(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

23、制器，利用Matlab仿真軟件調(diào)節(jié)前饋控制器參數(shù)，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>　　3. 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熟悉及過(guò)程建模</p><p><b>　　3.1模型的建立</b></p>

24、<p>　　首先觀察到了實(shí)驗(yàn)裝置，我們主要用了水箱，調(diào)節(jié)閥，電磁流量計(jì)，變頻計(jì)，液位檢測(cè)變送器等等。</p><p>　　我們?cè)O(shè)計(jì)了主副回路相結(jié)合的調(diào)解辦法。主回路上有自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，只需在控制器上給定量，便可以自己調(diào)節(jié)。并且有電磁流量計(jì)，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控流量變化。副回路主要是變頻器，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率來(lái)控制副回路泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量。這里使用的是渦輪流量計(jì)來(lái)檢測(cè)流量的大小。流量的實(shí)物體現(xiàn)便是水箱的液位變化。然后

25、在設(shè)置一個(gè)反饋環(huán)節(jié)，主要是利用液位檢測(cè)變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這就是模型的大概思路。</p><p>　　我們組是直接用雙容水箱做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榘凑瘴覀兊睦斫猓绻{(diào)節(jié)控制下水箱就是水箱，但是不管下水箱則為單容。</p><p>　　我們用主副回路共同控制水箱液位。先通過(guò)控制器來(lái)調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而控制左上水箱的進(jìn)水流量，然后調(diào)節(jié)出水閥，然進(jìn)水流量等于出水流量，從而把液面控制穩(wěn)定在一水平面上。&

26、lt;/p><p><b>　　方框圖如下： </b></p><p>　　圖3.1 水箱液位控制系統(tǒng)原理方框圖</p><p>　　3.2進(jìn)水閥和主管道進(jìn)水流量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度 由17%階躍到24%</p><p>　　圖3.2.1 第一次給調(diào)節(jié)閥階躍的閥開(kāi)度與

27、進(jìn)水了流量關(guān)系圖</p><p><b>　　調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度 由</b></p><p>　　圖3.2.2 第二次給調(diào)節(jié)閥階躍的閥開(kāi)度與進(jìn)水了流量關(guān)系圖</p><p>　　運(yùn)用相關(guān)的公式及模型，可得：</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化： </p><p><b>　　（

28、3.2.1）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?.2.2）</b></p><p><b>　　純滯后系數(shù)為</b></p><p><b>　?。?.2.3） </b></p>

29、;<p><b>　　時(shí)間常數(shù)為</b></p><p><b>　　(3.2.4) </b></p><p>　　進(jìn)水閥和主管道進(jìn)水流量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　　(3.2.5)</b></p><p>　　3.3建立進(jìn)水流量和水箱（上）

30、液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　閥的開(kāi)度由</b></p><p>　　圖3.3.1 第一次給調(diào)節(jié)閥階躍的進(jìn)水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系圖</p><p><b>　　閥的開(kāi)度由</b></p><p>　　圖3.3.2 第二次給調(diào)節(jié)閥階躍的進(jìn)水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系

31、圖</p><p><b>　　調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變化：</b></p><p><b>　?。?.3.1）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)為</b></p><p><b>　　（3.3.2）</b></p><p>&l

32、t;b>　　純滯后系數(shù)</b></p><p><b>　　(3.3.3)</b></p><p><b>　　時(shí)間常數(shù)為</b></p><p><b>　　(3.3.4)</b></p><p>　　進(jìn)水流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為</p

33、><p><b>　　(3.3.5)</b></p><p>　　3.4副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　閥的開(kāi)度由</b></p><p>　　圖3.4.1 第一次給調(diào)節(jié)閥階躍的副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系圖</p><p>&l

34、t;b>　　閥的開(kāi)度由</b></p><p>　　圖3.4.2 第二次給調(diào)節(jié)閥階躍的副回路流量和水箱（上）液位之間關(guān)系圖</p><p><b>　　調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化</b></p><p><b>　　（3.4.1）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)<

35、;/b></p><p><b>　?。?.4.2）</b></p><p><b>　　純滯后系數(shù)</b></p><p><b>　　(3.4.3)</b></p><p><b>　　時(shí)間常數(shù)</b></p><p>&

36、lt;b>　　(3.4.4)</b></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</p><p><b>　　(3.4.5)</b></p><p>　　3.5雙容水箱的進(jìn)水流量和水箱液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　閥的開(kāi)度由</b><

37、;/p><p>　　圖3.5.1 第一次給調(diào)節(jié)閥階躍的雙容水箱的進(jìn)水流量和水箱液位之間關(guān)系圖</p><p><b>　　閥的開(kāi)度由</b></p><p>　　圖3.5.2 第二次給調(diào)節(jié)閥階躍的雙容水箱的進(jìn)水流量和水箱液位之間關(guān)系圖</p><p><b>　　，</b></p>

38、<p>　　可用 （3.5.1） 計(jì)算</p><p><b>　　解得</b></p><p><b>　　調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化</b></p><p><b>　　（3.5.2）</b></p><p><b>　　比例系數(shù)</b&g

39、t;</p><p><b>　　(3.5.3)</b></p><p>　　雙容水箱的進(jìn)水流量和水箱液位之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為</p><p><b>　?。?.5.4）</b></p><p>　　4. 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>　　4.1

40、 單回路系統(tǒng)控制圖</p><p>　　此單回路控制系統(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　圖4.1.1 單容水箱（上）液位的單回路控制原理圖</p><p>　　②此單回路控制系統(tǒng)的控制框圖</p><p>　　圖4.1.2 單容水箱（上）液位的單回路控制框圖</p><p>　　4.2 PID參數(shù)整定 </

41、p><p>　　控制器參數(shù)的整定，對(duì)PID控制規(guī)律來(lái)說(shuō)，就是恰當(dāng)選擇比例度 （或比例放大系數(shù) 、積分時(shí)間常數(shù) 和微分時(shí)間常數(shù) 的值?？刂破鲄?shù)整定的方法有兩類(lèi)，一類(lèi)是理論計(jì)算法，一類(lèi)是工程整定法.</p><p>　　已知被控對(duì)象較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，可以應(yīng)用理論計(jì)算法。用傳統(tǒng)的時(shí)域法、頻率法、根軌跡法都可以進(jìn)行整定，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)整定和優(yōu)化的方法也很多。往往由于數(shù)學(xué)模型的原因，理論計(jì)算得到的

42、數(shù)據(jù)精度不高，但它卻可以為工程整定法提供指導(dǎo)。</p><p>　　我們主要采用的是經(jīng)驗(yàn)湊試法。所謂經(jīng)驗(yàn)湊試法，是按被控變量的類(lèi)型（即按流量，液位，溫度，壓力等分類(lèi)）提出控制其參數(shù)的合適范圍。它是在長(zhǎng)期的生產(chǎn)時(shí)間中總結(jié)出來(lái)的一種工程整定辦法。</p><p>　　我們先將控制器的參數(shù)放在某一數(shù)值上，通過(guò)改變給定值來(lái)給一擾動(dòng)，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線形狀，運(yùn)用、、對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為依據(jù)，按規(guī)定的順序

43、對(duì)比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間逐個(gè)進(jìn)行反復(fù)湊試，直到得到穩(wěn)定的符合條件的曲線。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)主要是以比例調(diào)節(jié)為主，所以我們先利用經(jīng)驗(yàn)給定一個(gè)比例系數(shù)，待過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定后，加積分作用以消除余差，最后加入微分作用從而進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。</p><p><b>　　PID整定過(guò)程:</b></p><p>　　當(dāng)把比例系數(shù)K調(diào)到K=35

44、時(shí)，圖像如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.1 K=35時(shí)控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)此時(shí)K已經(jīng)過(guò)大。因?yàn)榍€已經(jīng)超過(guò)了幅值，所以須減小K繼續(xù)調(diào)節(jié)。通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)K=10時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間較短且不出現(xiàn)震蕩并滿足衰減比為4：1.</p><p>　　圖4.2.2 K=10時(shí)控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　此時(shí)發(fā)現(xiàn)

45、圖像雖然有明顯改進(jìn)，但是仍有余差。所以我們要添加積分作用。對(duì)I進(jìn)行整定。即使K為10左右試湊I 使曲線再次達(dá)到穩(wěn)定，使衰減比再次達(dá)到4:1。</p><p>　　當(dāng)取K=11 ，I=200000曲線如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.3 K=11，I=200000時(shí)控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)余差已經(jīng)消失，但是系統(tǒng)超調(diào)偏大，繼續(xù)調(diào)整I。經(jīng)多

46、次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)I=300000效果較好。如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.4 K=11，I=300000時(shí)控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　此時(shí)系統(tǒng)超調(diào)很小，較上一組參數(shù)具有有很大的改進(jìn)。故I取300000。</p><p>　　繼續(xù)調(diào)整D當(dāng)D= 50000，曲線如下圖所示此時(shí)控制效果較好，但給定波動(dòng)很劇烈，繼續(xù)調(diào)整。</p><p

47、>　　圖4.2.5 K=11，I=300000，D=50000時(shí)控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　測(cè)試多組參數(shù)后，當(dāng)D= 10000時(shí)控制效果較好且電磁閥給定波動(dòng)明顯較上圖減小很多，曲線如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.6 K=11，I=300000，D=10000時(shí)控制系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　這時(shí)調(diào)節(jié)的曲線比較符合要求，具有良好的效

48、果。故單容水箱（上）液位的單回路控制系統(tǒng)最終整定參數(shù)為 K=11 ，I=300000 ，D=10000。</p><p>　　4.3控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，打開(kāi)旁路干擾閥</p><p>　　這時(shí)給定的擾動(dòng)較小，所以曲線沒(méi)有非常明顯的波動(dòng)。這是第一種情況</p><p>　　圖4.3.1 第一次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　擾動(dòng)加大，圖

49、像有了較明顯的變化，可以清晰的看到擾動(dòng)的給定時(shí)間等。</p><p>　　圖4.3.2 第二次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　由圖可以看出，這時(shí)給的擾動(dòng)過(guò)大，導(dǎo)致PID已經(jīng)無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是第三種狀況。</p><p>　　圖4.3.3 第三次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　4.4打開(kāi)副回路進(jìn)水閥</p

50、><p>　　給一小擾動(dòng)，看到PID很快把液位穩(wěn)定回給定值 ，這時(shí)擾動(dòng)頻率為 28.3HZ。</p><p>　　圖4.4.1 第一次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p>　　再把擾動(dòng)稍微加大一些，雖然曲線有了較為明顯的變化，但是 PID也仍舊可以把液位恢復(fù)到給定值。這時(shí)擾動(dòng)頻率為33HZ。</p><p>　　圖4.4.2 第二次用副回路

51、進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p>　　再給一非常大的擾動(dòng)。擾動(dòng)已超出PID調(diào)節(jié)范圍。故液位無(wú)法回到給定值 ，這時(shí)擾動(dòng)頻率為 50HZ。</p><p>　　圖4.4.3 第三次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p><b>　　4.5思考題?</b></p><p>　　1.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

52、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>　　答：可以選用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)抑制甚至消除擾動(dòng)。由于該擾動(dòng)不可預(yù)測(cè)，所以不能選用前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.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：可以選用串級(jí)控制系統(tǒng)或者前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)來(lái)抑

53、制甚至消除擾動(dòng)。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以迅速克服內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)，這樣就會(huì)減輕擾動(dòng)對(duì)控制質(zhì)量的影響。只要把變化劇烈幅度大的干擾包含在副回路中，即可大大削弱其對(duì)主被控量的影響。如果擾動(dòng)是可量測(cè)和可控制的，則可以采用前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)能迅速有效地補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度，理論上可做到完全消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。若選用前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)要求擾動(dòng)是可量測(cè)和可控制的。</p><p>　　5 雙容水箱液

54、位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1單回路控制系統(tǒng)圖</p><p>　?、俅藛位芈房刂葡到y(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　圖5.1.1 雙容水箱液位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　②此單回路控制系統(tǒng)的控制框圖</p><p>　　圖5.1.2 雙容水箱液

55、位（上下水箱串聯(lián)）的單回路控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　本系統(tǒng)選用雙容水箱作為控制對(duì)象，控制方案采用單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又被稱為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，它是由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及傳感器（或變送器）、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　5.2 PID參數(shù)整定</p><p>　　首先需要給P一個(gè)給定值，假設(shè)當(dāng)把P給定到1的時(shí)候

56、，圖像如下，可以看到圖像很不穩(wěn)定，需要把P減小。</p><p>　　圖5.2.1 當(dāng)P=1時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　把P減小到0.5的時(shí)候，圖像較為改善，但是仍舊非常不穩(wěn)定。還需把P稍微減小點(diǎn)。</p><p>　　圖5.2.2 當(dāng)P=0.5時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　然后在把P稍微減小點(diǎn)，減到0.3，可以得到如下的曲

57、線圖?？梢钥吹交旧弦呀?jīng)符合要求了。為了追求更理想的效果，可以稍微再小點(diǎn)。</p><p>　　圖5.2.3 當(dāng)P=0.3時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　當(dāng)P=0.25時(shí)，圖形效果如下，曲線較為平穩(wěn)，但是有余差， P就用此值。</p><p>　　圖5.2.4 當(dāng)P=0.25時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　可以看到曲線仍有余差，繼

58、續(xù)調(diào)節(jié)I。還是令P為0.25，調(diào)節(jié)I=0.1，可以看到此時(shí)曲線非常震蕩，完全不符合要求。所以必須繼續(xù)調(diào)I。使其縮小。</p><p>　　圖5.2.5 當(dāng)P=0.25，I=0.1時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　讓I減小到I =0.01，P保持不變得到如下曲線，仍舊非常震蕩繼續(xù)使I減小。</p><p>　　圖5.2.6 當(dāng)P=0.25，I=0.01時(shí)，系統(tǒng)曲線

59、圖</p><p>　　讓I=0.001，P還是不變。這時(shí)得到的曲線如下，雖然比I=0.01時(shí)好一些，但是還是需要繼續(xù)調(diào)節(jié)I。</p><p>　　圖5.2.7 當(dāng)P=0.25，I=0.001時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　這時(shí)I=0.0001，曲線更加平穩(wěn)，但是還是不夠理想。需要再適當(dāng)增大I。</p><p>　　圖5.2.8

60、當(dāng)P=0.25，I=0.0001時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　經(jīng)多次調(diào)試當(dāng)I=0.0004時(shí)，曲線達(dá)到最平穩(wěn)狀態(tài)。此參數(shù)較好?？梢允褂谩?lt;/p><p>　　圖5.2.9 當(dāng)P=0.25，I=0.0004時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　故整定后的參數(shù)，P=0.25，I=0.0004。不用整定D就可以。</p><p>　　5.3

61、控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，打開(kāi)旁路干擾閥</p><p>　　首先給定一小點(diǎn)的旁路擾動(dòng)，可以觀察到圖像的變化不是非常明顯。曲線如下：</p><p>　　圖5.3.1 第一次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　再給定一個(gè)稍大的擾動(dòng)，這時(shí)圖像產(chǎn)生了較明顯的變化，然后又恢復(fù)了穩(wěn)定。</p><p>　　圖5.3.2 第二次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)&l

62、t;/p><p>　　最后給定一個(gè)超大的擾動(dòng)，可以看到曲線已經(jīng)超出了量程范圍，無(wú)法恢復(fù)到給定值。</p><p>　　圖5.3.3 第三次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　5.4打開(kāi)副回路進(jìn)水閥</p><p>　　先給一小點(diǎn)的擾動(dòng)，可以得到如下曲線，變化比較小。很快通過(guò)PID的調(diào)節(jié)就達(dá)到了穩(wěn)定。</p><p>

63、;　　圖5.4.1 第一次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p>　　在給大一點(diǎn)的擾動(dòng)，可以看出比上面變化的大，也是很快通過(guò)PID的調(diào)節(jié)就達(dá)到了穩(wěn)定。</p><p>　　圖5.4.2 第二次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p>　　繼續(xù)給一個(gè)超大的擾動(dòng)，觀察所得曲線發(fā)現(xiàn)，由于擾動(dòng)過(guò)大，已經(jīng)超出了PID調(diào)節(jié)范圍，故系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)到給定值了。</p>

64、<p>　　圖5.4.3 第三次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p><b>　　5.5思考題</b></p><p>　　?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>　　答：系統(tǒng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，原因是雙容水箱較單容水箱存在比較大的容量滯后。</p>

65、;<p>　　容量滯后：當(dāng)一個(gè)擾動(dòng)出現(xiàn)后，由于上水箱首先要吸收（或放出）能量來(lái)改變自身狀態(tài)，然后才能使被調(diào)參數(shù)逐漸變化，這樣被調(diào)參數(shù)開(kāi)始變化后的時(shí)刻就會(huì)落后于干擾量出現(xiàn)的時(shí)刻，這種滯后是由于上水箱造成的慣性而產(chǎn)生的，故稱為容量滯后。</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>　　答：可以選用串級(jí)控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)

66、的內(nèi)環(huán)可以很好的消除容量滯后。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路的特點(diǎn)改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率。合理構(gòu)造二次回路，以減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小且保證快速動(dòng)作的副回路。</p><p>　　6.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>　　6.1串級(jí)控制系統(tǒng)圖</p><p>　　①此串級(jí)控制系

67、統(tǒng)的控制原理圖</p><p>　　圖6.1.1 水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　?、诖舜?jí)控制系統(tǒng)的控制框圖</p><p>　　圖6.1.2 水箱（上）液位與進(jìn)水流量的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制,將下水箱液位控制在設(shè)定高度。串級(jí)回路是由內(nèi)反饋組成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，屬于復(fù)雜控

68、制范疇。在計(jì)算機(jī)中設(shè)置了兩個(gè)虛擬調(diào)節(jié)器作為主副調(diào)節(jié)器。將下水箱的液位信號(hào)輸出作為主調(diào)節(jié)器輸入，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的輸入，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，因此要選擇調(diào)節(jié)器的不同調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行控制，副調(diào)節(jié)器主要任務(wù)是快速動(dòng)作，迅速抵制進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，至于副回路的調(diào)節(jié)不要求一定是無(wú)靜差。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持下水箱液位在設(shè)定值，因此，主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器也可考慮采用PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　

69、6.2 PID參數(shù)整定</p><p>　　首先整定內(nèi)環(huán)，另P=1，可以得到如下曲線，但是可以發(fā)現(xiàn)P太小了。故得增大。</p><p>　　圖6.2.1 當(dāng)P=1時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　令P=100 ，雖然有改善，但是仍舊很小。故應(yīng)適當(dāng)增大。</p><p>　　圖6.2.2 當(dāng)P=100時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p&g

70、t;<p>　　多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)P=800時(shí)，曲線較好。故P取800.</p><p>　　圖6.2.3 當(dāng)P=800時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　接著進(jìn)行內(nèi)環(huán)I的整定。令I(lǐng)為1的時(shí)候得到如下曲線，可以發(fā)現(xiàn)I過(guò)小，應(yīng)繼續(xù)增大。</p><p>　　圖6.2.4 當(dāng)P=800，I=1時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　

71、　接著令I(lǐng)為8，則可以得到較為平穩(wěn)符合要求的曲線了。如下：</p><p>　　圖6.2.5 當(dāng)P=800，I=8時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　整定外環(huán)，令P=1時(shí)，可以得到如下曲線：</p><p>　　圖6.2.6 當(dāng)P=1時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　可以看出P過(guò)大，應(yīng)適當(dāng)減小。故令P為0.1，發(fā)現(xiàn)正好符合要求。較為

72、穩(wěn)定。</p><p>　　圖6.2.7 當(dāng)P=0.1時(shí)，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　整定I，另P為0.8，I為0.1可得</p><p>　　圖6.2.8 當(dāng)P=0.1時(shí)，I=0.1，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　發(fā)現(xiàn)I過(guò)大，應(yīng)繼續(xù)減小I,經(jīng)過(guò)多次嘗試，令I(lǐng)為0.001時(shí)，發(fā)現(xiàn)符合要求</p><p>

73、　　圖6.2.9 當(dāng)P=0.1時(shí)，I=0.001，系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　故最終整定參數(shù):外環(huán) P=0.09，I=0.001</p><p>　　內(nèi)環(huán) P=800 I=8</p><p>　　6.3 讓設(shè)定值發(fā)生階躍變化</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)給定值由6增加階躍到8時(shí)，由下圖不難看出給定值發(fā)生階躍變化后系統(tǒng)快素調(diào)整到了新的

74、穩(wěn)態(tài)值。</p><p>　　圖6.3.1 給定值第一次發(fā)生節(jié)約變化后系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)給定值由6減少階躍到4時(shí)，由下圖不難看出給定值發(fā)生階躍變后系統(tǒng)快素調(diào)整到了新的穩(wěn)態(tài)值。</p><p>　　圖6.3.2 給定值第二次發(fā)生節(jié)約變化后系統(tǒng)曲線圖</p><p>　　打開(kāi)旁路干擾閥（較大幅值的階躍擾動(dòng)）</p&g

75、t;<p>　　圖6.4.1 第一次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　圖6.4.2 第二次用旁路干擾閥給定擾動(dòng)</p><p>　　6.5打開(kāi)副回路進(jìn)水閥（較大幅值的階躍擾動(dòng)）</p><p>　　圖6.5.1 第一次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p><p>　　圖6.5.2 第二次用副回路進(jìn)水閥給定擾動(dòng)</p

76、><p><b>　　6.6思考</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：可選用前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)能迅速有效地補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度，理論上可做到

77、完全消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。若選用前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，前提是擾動(dòng)參量是可量測(cè)和可控制的?？梢栽诟被芈窋_動(dòng)前加一個(gè)前饋補(bǔ)償器，通過(guò)模型計(jì)算，求得該補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，進(jìn)而消除副回路擾動(dòng)的干擾。</p><p>　　副回路進(jìn)水流量的前饋控制</p><p>　　7.1 前饋控制系統(tǒng)圖</p><p>　?、俅饲梆伩刂葡到y(tǒng)的控制原理圖</p><

78、p>　　圖7.1.1 副回路進(jìn)水流量的前饋控制原理圖</p><p>　　圖7.1.2 副回路進(jìn)水流量的前饋控制原理簡(jiǎn)化圖</p><p>　　前饋控制又被稱為擾動(dòng)補(bǔ)償， 它與反饋調(diào)節(jié)的原理完全不同， 是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中， 要直接測(cè)量負(fù)載干擾量的變化， 當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn)而能測(cè)出時(shí)，調(diào)節(jié)器就會(huì)發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)而使調(diào)節(jié)量做出相應(yīng)的變化， 使兩者抵

79、消于被調(diào)節(jié)量發(fā)生偏離之前。因此，前饋調(diào)節(jié)對(duì)干擾的克服比反饋調(diào)節(jié)快。</p><p><b>　　前饋控制器的模型</b></p><p>　　圖7.2.1 前饋控制框圖</p><p>　　前饋—反饋控制系統(tǒng)有如下主要特點(diǎn)：</p><p>　?。?） 在單純前饋控制下，擾動(dòng)對(duì)被控量的影響如式(7.1)所示，即<

80、/p><p><b>　　(7.2.1)</b></p><p>　　采用了前饋—反饋控制后，擾動(dòng)對(duì)被控量的影響為原來(lái)的。這就證明了由于反饋回路的存在，不僅可以降低對(duì)前饋補(bǔ)償器精度的要求，為前饋補(bǔ)償器的工程實(shí)現(xiàn)提供有利的理論依據(jù)；同時(shí)，對(duì)于工況變動(dòng)時(shí)所引起對(duì)象非線性特性參數(shù)的變化也具有一定的自適應(yīng)能力。</p><p>　　（2） 在前饋—反饋復(fù)合

81、控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)前饋?zhàn)饔玫耐耆a(bǔ)償，根據(jù)不變性原理知</p><p><b>　　(7.2.2)</b></p><p>　　這與在單純前饋的開(kāi)環(huán)控制下所得動(dòng)態(tài)前饋模型的形式完全相同。</p><p>　　對(duì)于圖7.2.1 所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況，系統(tǒng)輸出 </p><p><b>　　

82、（7.2.3）</b></p><p>　　故圖7.2.1所示系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(7.2.4)</b></p><p>　　在完全補(bǔ)償條件下，前饋模型即為</p><p><b>　　(7.2.5)</b></p><p>　　可見(jiàn)，

83、此時(shí)前饋控制器的特性，不但取決于過(guò)程擾動(dòng)通道及控制通道特性，還與反饋控制器的控制規(guī)律有關(guān)。</p><p>　　7.3 利用Matlab仿真軟件調(diào)節(jié)控制器參數(shù)</p><p>　　當(dāng)無(wú)前饋的時(shí)候，得到如下圖</p><p>　　圖7.3.1 無(wú)前饋時(shí)副回路進(jìn)水流量的曲線圖</p><p>　　當(dāng)前饋補(bǔ)償放大系數(shù)等于0.8865（計(jì)算所得

84、）</p><p>　　圖7.3.2 前饋系數(shù)為0.8865時(shí)副回路進(jìn)水流量的曲線圖</p><p>　　當(dāng)前饋補(bǔ)償放大系數(shù)為5的時(shí)候，為過(guò)補(bǔ)償，如下圖</p><p>　　圖7.3.3 前饋系數(shù)為5時(shí)副回路進(jìn)水流量的曲線圖（過(guò)補(bǔ)償）</p><p>　　當(dāng)前饋補(bǔ)償放大系數(shù)為0.08的時(shí)候?yàn)榍费a(bǔ)償時(shí)，得到</p><p

85、>　　圖7.3.4 前饋系數(shù)為0.08時(shí)副回路進(jìn)水流量的曲線圖（欠補(bǔ)償）</p><p><b>　　8. 結(jié)論</b></p><p>　　到這里，所有建模過(guò)程及系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分已經(jīng)結(jié)束。</p><p>　　縱觀全過(guò)程，我們首先熟悉了整個(gè)水箱控制系統(tǒng)的建模過(guò)程。掌握了基本的建模方法。接著，我們運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)湊試法整定PID參數(shù)，從而得到較好的

86、控制效果。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是單回路，串級(jí)和前饋水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目的是要對(duì)水箱液位有良好的控制。采用PID算法控制，可以極大地消除控制系統(tǒng)工作過(guò)程中的各種擾動(dòng)，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，滿足基本的控制要求。如果有一較大的擾動(dòng)，一般可以通過(guò)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)來(lái)解決。但是兩種方法有不同的適用條件?？蓽y(cè)不可控干擾無(wú)法設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)抑制干擾。但是可測(cè)可控的因素可以通過(guò)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，快

87、速抑制擾動(dòng)。例如旁路閥流量是可測(cè)的變量，并且可以通過(guò)控制調(diào)節(jié)變頻器，使副回路水泵的轉(zhuǎn)速改變，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水流量。所以就可以設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)一直擾動(dòng)。使系統(tǒng)較快回復(fù)穩(wěn)定。</p><p>　　而在比較當(dāng)中，串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線第一峰值出現(xiàn)時(shí)間明顯比單回路系統(tǒng)更早，縮短了上升時(shí)間，減小了對(duì)象時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)快速性增強(qiáng)。串級(jí)系統(tǒng)輸出曲線的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，使系統(tǒng)更早進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)振蕩幅度明顯得到改善，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而前

88、饋控制又能提前給一階躍信號(hào)，從而迅速地抵消擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。</p><p>　　對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線對(duì)比可知，串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)的的抗干擾性能、動(dòng)態(tài)性能、工作頻率及自適應(yīng)能力都得到明顯改善。對(duì)比前饋控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)可以得出，由于 前饋系統(tǒng)增加了反饋環(huán)節(jié)，從而能使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，以及抗干擾能力得到更加優(yōu)良的改善。</p><p>

89、　　9. 收獲、體會(huì)和建議</p><p>　　通過(guò)這段時(shí)間我們的努力嘗試，過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。我們是以小組為單位來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，我想這其中的酸甜苦辣只有親自經(jīng)歷過(guò)，才能深刻體會(huì)到。這不是一個(gè)人的辛苦成果，使我們大家共同努力所得。我自己也從這次課程設(shè)計(jì)中收獲頗豐。我們?cè)谙惹耙呀?jīng)進(jìn)行了過(guò)程控制課程的學(xué)習(xí)，讓我們對(duì)各種控制系統(tǒng)以及生產(chǎn)控制過(guò)程中所運(yùn)用的一些理論知識(shí)有了初步的了解。但是很難把這些知識(shí)與實(shí)際聯(lián)系起

90、來(lái)。課程設(shè)計(jì)讓我有了這次機(jī)會(huì)，我們通過(guò)在一流實(shí)驗(yàn)室里，利用水箱系統(tǒng)，探究了書(shū)本中所學(xué)的一些理論知識(shí)。包括串級(jí)控制系統(tǒng)與前饋——反饋控制系統(tǒng)等。也讓我們對(duì)PID參數(shù)的整定有了詳細(xì)的了解。</p><p>　　剛開(kāi)始建模時(shí)，難免遇到了許多困難，但是經(jīng)過(guò)組內(nèi)成員的熱烈討論后，我們慢慢走上了正軌。很多東西也變得輕車(chē)熟路起來(lái)。我想這也是我這次課程設(shè)計(jì)的另外一大收獲吧。讓我更加深刻的體會(huì)到與人溝通的藝術(shù)以及團(tuán)隊(duì)合作的重要性。

91、還有一點(diǎn)就是，由于實(shí)物系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)一些控制系統(tǒng)的控制效果，故我們是用仿真的辦法來(lái)完成的。這也讓我對(duì)MATLAB的應(yīng)用有了很好的認(rèn)識(shí)。為我以后的學(xué)習(xí)及工作奠定了很好的基礎(chǔ)。</p><p>　　最后，非常感謝多位老師的悉心教導(dǎo)，由其是王姝老師，每天都與我們進(jìn)行溝通，了解每一組的設(shè)計(jì)進(jìn)度。并且在我們遇到討論無(wú)果的時(shí)候，及時(shí)的給與我們幫助。謝謝學(xué)校能讓我們擁有這次動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，使我們能夠理論與實(shí)際相結(jié)合，為我們的學(xué)習(xí)