自动控制系统课程设计---多水箱单回路控制+解耦控制

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1、 自动控制系统课程设计自动控制系统课程设计 设计题目：多水箱单回路控制+解耦控制 I 摘摘 要要 液位控制系统是以某被控对象(本次设计主要针对水箱)的液位为被控参数，通过 控制器的控制与调节作用使该参数维持在期望值， 并满足一定的动态及稳态精度的控 制系统。 本次设计主要包括多水箱单回路控制系统和解耦控制系统。 解耦控制系统设计为四水箱两输入两输出的液位控制系统， 两输入为两个进水阀 的流量，两输出为两个下水箱的液位高度，耦合为两个输出都分别受两个输入影响。 本文建立基于 Simulink 耦合控制对象的数学仿真模型， 利用节约响应曲线法进行控制 对象的参数辨识， 通过对两个回路添加解耦控制器

2、最终实现两个液位分别受两个流量 输入的一对一的控制并能分别达到期望值，并满足一定的动态及稳态精度。 四水箱实验系统用于模拟实际工业系统的非线性、多变量、时变、耦合等复杂对 象特性。本文建立了该实验系统的数学仿真模型并对控制系统参数进行辨识，进行了 耦合控制系统的分析与设计, 实践了前馈补偿法解耦控制系统的设计方法, 并对控 制系统进行了Simulink仿真实验，达到了预想的效果。 关键词关键词：四水箱系统解耦控制，Simulink 仿真，节约响应曲线法，前馈补偿解耦 II 目目 录录 1. 概述 . - 1 - 2. 课程设计任务及要求 . - 2 - 2.1 设计任务 . - 2 - 2.2

3、 设计要求 . - 2 - 2.2.1 控制系统可行性分析 - 2 - 2.2.2 控制原理分析与设计 - 2 - 2.2.3 控制系统设备选型 - 3 - 2.2.4 控制系统检测控制原理图 - 3 - 2.2.5 控制系统接线图 - 3 - 3. 控制系统可行性分析 . - 3 - 3.1 国内外控制水平发展及现状 . - 3 - 3.2 过程控制难点及目前解决程度 . - 5 - 3.2.1 传统解耦设计中的难点及目前解决程度 - 5 - 3.2.2 自适应解耦的难点及目前解决程度 - 5 - 3.2.3 鲁棒控制的难点及目前解决程度 - 5 - 3.2.4 智能解耦控制的难点及目前解决

4、程度 - 5 - 3.3 模拟采用控制方案的特点及概述等内容 . - 5 - 4. 控制原理分析与设计 . - 6 - 4.1 过程描述 . - 6 - 4.1.1 系统原理图及工作原理 - 7 - 4.1.2 结构框图及说明 - 8 - 4.2 系统的仿真模型 . - 8 - 4.2.1 单水箱数学模型建立及仿真 - 8 - 4.2.2 四水箱数学模型建立及仿真 - 9 - 4.3 模型参数辨识 - 11 - 4.3.1 关联分析 . - 11 - 4.3.2 参数选择 . - 11 - 4.3.3 参数验证 . - 15 - III 4.4 解耦控制系统设计 - 17 - 4.4.1 控制

5、系统分析设计 . - 17 - 4.4.2 控制器 PID 参数整定 . - 19 - 4.4.3 控制器仿真实现 . - 20 - 5 控制系统设备选型 - 22 - 5.1 电磁流量计选型 - 22 - 5.2 涡轮流量计选型 - 22 - 5.3 压力液位传感器选型 - 22 - 5.4 变频器选型 - 23 - 6 结论 - 24 - 7 使用仪器设备清单 - 24 - 7.1 电磁流量计 . - 24 - 7.2 涡轮流量计 . - 26 - 7.3 压力液位传感器 . - 26 - 7.4 电动调节阀 . - 28 - 7.5 变频器 . - 29 - 7.6 水泵 . - 30

6、- 8 收获、体会和建议 - 30 - 9 参考文献 - 31 - - 1 - 1. 概述概述 在现代化的工业生产中，不断出现一些较复杂的设备或装置，这些设备或装置的 本身所要求的被控制参数往往较多，因此，必须设置多个控制回路对该种设备进行控 制。由于控制回路的增加，往往会在它们之间造成相互影响的耦合作用，也即系统中 每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都会有影响， 而每一个回路的输出又会 受到所有输入的作用。要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦 合”系统。由于耦合关系，往往使系统难于控制、性能很差。 所谓解耦控制系统，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统种各控 制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只 受到一个控制的作用。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。 本次设计针对典型的多容单回路系统拟采用常规的 PID 控制，通过 PLC 与计算 机实现自动化控制。应用机理分析法对四水箱实验系统进行关联分析，建立四水箱液 位控制系统的数学模型，并运用矩阵分析理论分析该系统的稳定性、能控性和能观测 性，应用基于前馈补偿的