过程控制系统课程设计
——基于互耦水槽控制的几种PID整定方法的比较研究
目的:
互耦水槽动态系统建模
互耦水槽简单反馈控制系统设计
设备及软件:
Coupled tanks laboratory;Matlab;
内容:
以互耦水槽为对象,进行实验建模,并对所建模型进行验证
利用三种工程PID整定方法(稳定边界法,响应曲线法,SMC法)进行PID参数整定
三种工程PID整定方法对干扰抑制效果的比较,比较的性能指标包括(上升时间,超调量,调整时间,控制器输出信号平滑性,ISE,IAE,鲁棒性)
要求:
上机时间严格遵循实验计划安排表执行
每位同学独立完成设计
实验报告提交图表,总结
实验步骤:
互耦水槽实验室软件的介绍:
互耦水槽的原理图:
图1 互耦水槽系统原理图
如图1所示,系统由两个相同的水槽组成.两个水槽通过阀门V3连接在一起,当阀门V3关闭时,两个水槽都能够相互独立的工作,互不影响;而当阀门V3打开时,两个水槽的液位之间相互耦合,水槽之间的流量(Q12)受两个水槽液位的影响.流入水槽的流量受泵的控制,对泵的控制是通过调节DC电动机的电枢电压来实现的.水槽的液位通过压电传感器测量,所测得的输出电压值与液位成比例关系.
互耦水槽系统的模拟虚拟实验室软件界面图2所示:
图2 互耦水槽系统虚拟实验室软件界面图
软件界面分为两部分:上半部分为互耦水槽系统实验模拟图,如图3所示,下半部分为示波器显示和设置界面.
图3 互耦水槽系统实验模拟图
在图3中,设定值是通过信号发生器(图中Signal Generator 1和Signal Generator 2 )提供的,信号发生器可以提供五种类型的信号源,分别为阶跃信号,正弦波信号,方波信号,脉冲信号和嗓声信号.阀门的开关通过双击阀门上的红色开关来实现,红色开关与管子垂直时,表示阀门关,反之,表示阀门开.双击PID控制器可以设置PID控制器的三个参数值(kp,ki,kd).另外,整个实验可以在开环和闭环两种状态下进行,如果要进行闭环控制,,需将反馈线路上的开关指向非0V的那一端.图中用6处不同颜色菱形框标注的地方是示波器所测的参数,下面分别介绍一下:①为水槽1的液位值;②为被控参数设定值;③为被控参数设定值与实际值的偏差;④为水槽2的液位值;⑤为PID控制器输入;⑥为PID控制器输出.
下半部分的左面为示波器的显示界面,整个界面被横轴和纵轴又分为四个部分,横轴为时间轴,单位为S,纵轴为电压轴,单位为伏特,示波器可以显示互耦水槽系统6个部分的运行状态,如图3所示为①-⑥,每个部分的运行状态在示波器上通过不同颜色的曲线显示.在下半部分的右测还可以对示波器的参数进行设置,如设置时间轴和电压轴的每一间隔所表示的时间和电压值,这样可以将曲线进行相应的放大和缩小,另外在示波器设置界面上还有一些功能按钮,如RUN,STOP,RESET,DISPLAY等等,RUN使示波器处于运行状态,采集数据;STOP使示波器停止运行,这时前面采集到的数据会停在显示界面上,然后可以通过EXPORT按钮,将图形导出成文件,以便进行数据分析.
过程建模:
单水槽系统的建模:
首先我们对单水槽系统进行建模.(当V3关闭,V1打开,只考虑水槽1时)
根据物料,能量的动态平衡关系,对于水槽1,有
或者写成
式中:V1为水槽1中液体的体积
H1为水槽1中的液位高度
A为水槽1的横截面积
Q1i为流入水槽1的流量
Q1o为流出水槽1的流量.
那么,当V3关闭,V2打开时,同样可以按上述方法列出水槽2的动态平衡方程.
流入水槽的流量是受泵的控制,泵的流量与DC电动机电枢电压之间呈线性
关系,即
压电传感器设备测量到水槽的液位H后,返回一个电压值h,h和水槽的液位H是成比例关系的,当水槽被液体100%装满时对应的h是10V,当水槽内没有液体时,对应的h为0V.即
而流出水槽的流量可以如下的等式来模拟:

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