過程控制課程設(shè)計(jì)—三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-13 09:36 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 （ 213） （ 214） （ 215） （ 216） 其中， ， 為兩個水箱的截面積 ,1R 、 2R 為流阻， ， ， ， ，都以平衡狀態(tài)為起始點(diǎn)計(jì)算的增量。對以上方程組取拉普拉斯變換得到雙容水箱控制通道的傳遞函數(shù)，即 （ 217） 其中 ， ， 。再根據(jù)其傳遞函數(shù)可得雙容水箱的控制方框圖，如圖 7 所示。 三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 Q2(s) H2(s) u(s) Q1(s) Q3(s) 圖 7 雙容 水箱 液位 控制 框圖 三容水箱 的數(shù)學(xué)模型 三容水箱的結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示 ， h3 為 第三個水箱的液位高度。 在雙容水箱的控制方框圖的基礎(chǔ)上可以推導(dǎo)出三容水箱的控制方框圖，如圖 8 所示。 Qin(s) Q1(s) Q2(s) u(s) + + + 圖 8 三容 水箱 液位 控制框圖 與單容水箱液位控制框圖對比可以清晰地看出第二級水箱加入到控制系統(tǒng)中，只是在第一級水箱的液位輸出端加入液位與流出流量的傳遞函數(shù)，然后串接第二級的液位控制的傳遞函數(shù)即可。得到 模型后， 利用上述參數(shù)計(jì)算，可得到如圖 9 的三容水箱控制系統(tǒng)的具體過程傳遞函數(shù)的框圖 圖 9 三容 水箱 過程 傳遞函數(shù)的框圖 以上就是三容水箱數(shù)學(xué)模型的建立。 Ku Ku H3 三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 3 算法 描述 算法 選擇 在過程控制中，液位控制一般采用 P 調(diào)節(jié)足夠。但是，在本次設(shè)計(jì)中，三個水箱（三個一階慣性環(huán)節(jié)）依次串聯(lián)，構(gòu)成三階系統(tǒng)，如果僅使用 P 調(diào)節(jié)，存在動態(tài)響應(yīng)速度慢、有穩(wěn)態(tài)誤差，因而不滿足題設(shè)中對 3h 進(jìn)行精確控制的要求。為消除穩(wěn)態(tài)誤差，要采用 PI 調(diào)節(jié)，兼顧響應(yīng)時間，因此算法選擇 PID。 另外，還有一個必須注意的地方：在對 3h 進(jìn)行控制的同時 ， 1h 、 2h 也要得到有效的調(diào)節(jié)。尤其是容器都有高度限制，因此， 1h 、 2h 的動態(tài)響應(yīng)不能有過大的超調(diào)量，否則，液體會溢出容器，嚴(yán)重影響實(shí)際生產(chǎn)過程，更達(dá)不到對 3h 調(diào)節(jié)效果。為了對 1h 、 2h 進(jìn)行有效控制，本次設(shè)計(jì)將嘗試采用 多回路串級調(diào)節(jié)。其中，內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的目的是控制 1h 、 2h 響應(yīng)更快，超調(diào)量更小，從而使提高對 3h 的控制效果。 因此，我們的控制方案是串級控制：對于控制精度要求不高的內(nèi)環(huán)，采用 P調(diào)節(jié)或超前校正以提高響應(yīng)速度；對于品質(zhì)要求高的外環(huán)，采用 PID 或者 PI 調(diào)節(jié)，消除靜差，減小調(diào)節(jié)時間。 利用 MATLAB 的 Simulink 對三容水箱的模型進(jìn)行仿真 ， 如 圖 9 分析階躍響應(yīng)特性。 單位階躍輸入作用下，三個水箱液位變化如下圖 ： 圖 10 1h 階躍響應(yīng)曲線 三容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 圖 11 2h 階躍響應(yīng)曲線 圖 12 3h 階躍響應(yīng)曲線 從圖中可以看出， 1h 、 2h 、 3h 的響應(yīng)時間依次增加，分別為 2021s、 3000s、3500s 左右 。 但是 1h 、 2h 、 3h 穩(wěn)態(tài)誤差 基本 相等，對于單位階躍 而言 ， ess≈ ?？梢?三容水箱具有由于三個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)，響應(yīng)速度慢，有穩(wěn)態(tài)誤差但無
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