基于前馈串级控制PID控制双容水箱液位控制系统仿真设计

第一章 课程设计目的与背景

1.1课程设计的目的
（1）通过串级控制系统的设计与仿真，了解串级控制系统主副回路的设计、串级控制系统的特点、投运和整定方法，以增强对串级控制系统的感性认识；
（2）通过前馈控制系统的设计与仿真，了解前馈控制系统的特点、前馈控制系统的整定方法；通过前馈控制系统与反馈控制系统的比较，深入了解前馈-反馈复合控制的优点。

1.2课程设计的实验设备
（1）计算机一台1台
（2）Matlab(包括Simulink)软件1套

1.3课程设计的内容和基本要求
课程设计内容如下所示：

上图为二级水箱串级控制系统，已知上水箱液位l2对调节阀流量q的传递函数为：

下水箱液位l1对上水箱液位l2的传递函数为：

下水箱液位l1对出口流量q1的传递函数为：

调节阀的传递函数:

若出水阀流量q1是一可测的变化幅值较大较为频繁的扰动，试设计二级水箱前馈—串级控制系统。
具体要求如下所示:
（1）根据被控对象的特点选择前馈—串级控制系统，设计相应的液位复合控制系统，画出控制系统原理图；
（2）搭建Matlab Simulink 仿真模型，并进行仿真实验测试；
（3）讨论主副控制器控制参数选择对控制系统品质质量的影响；
（4）仿真研究无前馈补偿、静态和动态前馈时，系统的扰动特性和跟踪特性；
（5）讨论动态前馈时，对比研究动态前馈补偿器放大倍数（放大倍数分别取0.2，1，2）对控制系统输出的影响；
（6）给出最优控制器参数与仿真结果。
仿真实验中，仿真时间为200s,在0s处加入给定值，其幅值为12，在60s处加入幅值为10的二次干扰（出水阀流量q2），在140s处加入幅值为-8的一次干扰（出水阀流量q1）。

第二章 前馈-串级控制系统设计

2.1对象设计
双容水箱液位与进水流量有着较强的关系。并且，生产过程中，出水流量是可测的变化幅值较大较为频繁的扰动，进水流量的控制难度较小，所以选择进水流量作为控制对象。
控制系统的设计目的是控制液位高度，所以选择双容水箱的液位高度作为主被控对象。
水箱温度是主要干扰，并且水箱温度与主被控对象液位高度有相关性，所以选择水箱温度作为副被控对象。

2.2控制阀设计
进水的流入、加热使得温度上升。为防止进水流入过多，导致水温过高，引发事故，要求在出现故障（控制信号为0）时开度为0。所以选择气开阀。

2.3控制器设计
当进水流量增加时，双容水箱的液位高度升高，所以主对象为正对象。经分析可得，主控制器为反作用控制器。
当进水流量增加时，水箱温度升高，所以副对象为正对象。经分析可得，副控制器为反作用控制器。

2.4扰动设计
双容水箱的出水流量对液位高度有较大的影响，所以选择出水流量作为主回路的一次扰动。

第三章 系统原理图与方框图

3.1系统原理图
系统原理图如图3-1所示：

3.2方框图
系统方框图如图3-1所示：

第四章 Simulink模型与调整参数

4.1串级控制的simulink模型
4.1.1模型搭建
基于设计资料，根据串级控制的相关知识，搭建simulink模型，如图4-1所示：

使用PID控制器作为控制器。使用幅值为1、阶跃时间为0的阶跃信号作为给定值，在60s时加入幅值为0.5的阶跃信号的作为二次干扰，在120s处加入给定值为1的阶跃信号作为一次干扰。

4.1.2串级控制PID参数整定
串级控制PID参数整定有一步整定法与两步整定法两种。
一步整定法的简要步骤为：根据经验，先设置副控制器的参数，不再修改。然后，按照一般单回路系统的整定方法，直接整定主控制器参数。
两步整定法的简要步骤为：按照一般单回路系统的整定方法，先整定副控制器参数，再整定主控制器参数。
比较一步整定法与两步整定法，一步整定法对副变量的控制要求相对较低，并且一步整定法只需要整定一次PID参数，操作简单，节省时间。所以选择一步整定法整定PID参数。

一步整定法的具体步骤如下：
步骤一:副控制器参数设定
根据长期的实践和积累，人们总结副控制器参数的经验值表1所示：

根据设计要求，设计的是二级水箱前馈—串级控制系统。副变量为，属于温度类型，副控制器比例放大系数的经验范围为50至80。所以选择副控制器比例放大系数为50。
步骤二:主控制器参数整定
整定主控制器PID时，使用衰减曲线法：将主控制器的积分时间常数设置为无穷，微分时间常数设置为0，比例度设置为100%，调节比例度，计算响应曲线初始的两次峰值与稳态值的差值是否为4:1。如果小于4:1，减小比例度，否则增大比例度。由于Simulink中比例度调节较困难，通过调节比例参数替代。
步骤三：计算参数
使用Simulink的示波器模块，测量各项指标的数值。
查询表2计算参数。

从图4-3可得，稳态值为10.067，振荡周期为1.526s，衰减比为4.13，近似为4。计算主控制器参数并进行微调，PID参数与整定结果如下所示：

4.2静态前馈控制的simulink模型
4.2.1模型搭建
基于设计资料，根据静态前馈控制的相关知识，搭建simulink模型，如图4-4所示：

4.4无前馈、静态前馈、动态前馈跟踪与扰动特性分析
无前馈串级控制可以实现跟踪，但过渡过程时间较长。无前馈串级控制响应相对较慢，对干扰有一定的补偿效果。
静态前馈串级控制可以实现跟踪，跟较效果较好，时间较短。静态前馈串级控制响应较快，对干扰有较好的补偿效果，抑制了静态偏差。
动态前馈串级控制跟踪效果较好。动态前馈串级控制响应快，对干扰有较好的补偿效果，抑制了静态偏差与动态偏差。

第五章 主副控制器控制参数对控制系统品质的影响

5.1主控制器控制参数的影响
5.1.1主控制器比例参数P的影响
建立图5-1所示的模型研究主控制器比例参数P的影响。

当P=5.3，P=5.8，P=6.2时其他参数不变条件下，系统的响应如图5-2所示：

由图5-2可得，比例控制作用可以减小余差，无法消除系统的余差。随着比例作用的增大，系统超调量增加，稳定性下降，波形变化更加剧烈。
5.1.2主控制器积分参数I的影响
建立图5-1所示的模型研究主控制器积分参数I的影响。
当I=1.4，I=2.5，I=3.6时其他参数不变条件下，系统的响应如图5-3所示：

（其余完整详见下载）

6.1动态前馈控制器放大倍数对前馈补偿的影响
建立图6-1所示的模型研究动态前馈控制器放大倍数对前馈补偿的影响。

当P=5.3，P=5.8，P=6.2时，系统的输出如图6-2所示：

6.2给定动态前馈补偿器放大倍数对控制系统输出的影响
建立图6-3所示的模型研究给定动态前馈补偿器放大倍数对控制系统输出的影响。