1、 双容水箱液位串级控制系统双容水箱液位串级控制系统_毕业毕业设计设计 1. 设计题目设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务设计任务 图 1 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， 在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱 液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 变频变频 泵泵2 泵泵1 第二支路第二支路 引入干扰引入干扰 第一支路第一支路 图图 1 双容水箱液位控制系统示意图双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 1 1 1 ( )2 (
2、) ( )51 p Hs Gs Uss ， 22 2 21 ( )( )1 ( ) ( )( )201 p HsHs Gs QsHss 。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过 程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运 10s 后施加的均值为 0、方 差为 0.01 的白噪声） ； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别 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； 3） 针对该受扰的液位系统设
3、计串级控制方案，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。 4.设计任务分析设计任务分析 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种， 机理法建模主要用于生产过程的机 理已经被人们充分掌握， 并且可以比较确切的加以数学描述的情况； 测试法建模是根据工业 过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单， 特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采 用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量 Q； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 1 1 1 ( )2
4、 ( ) ( )51 p Hs Gs Uss （上水箱传递函数） ； 22 2 21 ( )( )1 ( ) ( )( )201 p HsHs Gs QsHss （下水箱传递函数） 。 控制器：PID； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行 10s 后，施加均值为 0、方差为 0.01 的白噪声 为保持下水箱液位的稳定， 设计中采用闭环系统， 将下水箱液位信号经水位检测器送至 控制器（PID） ，控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀） ， 从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整 PID 参数，单闭环控制系统理 论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统， 整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控 制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生 产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整 PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串 级控制可以使某些
