计算机控制课设串级回路,计算机控制系统课程设计
《计算机控制系统》课程设计
双容水箱串级PID控制系统的设计与仿真
姓名:江洁非
班级:电气111
学号:8
双容水箱串级PID控制系统的设计与仿真
电气111 ,8
江洁非
1、前 言:
双容水箱系统是较强代表性的工业对象,具有非常重要的研究意义和价值,通过改变其阀门的关闭或打开状态可构成灵活多变的对象,如一阶对象、二阶对象等。同时也是典型的非线性、时延对象,通过其可进行非线性系统的辨识和控制等相关研究。可构成单回路控制系统、串级控制系统、复杂过程控制系统等,可为各种控制系统的研究提供参考依据。双容水箱系统的控制主要通过计算机来完成,可由计算机编程实现各种控制算法来对水箱系统进行控制,为控制算法的研究提供了良好的试验平台。可在控制过程中改变组合的状态,从而模拟故障,这也为故障诊断的研究提供了研究对象和试验平台。
2、研究的原理
2.1、双容水箱数学模型
双容水箱系统构成如右图所示,由上水箱、下水箱串联在一起,水首先进入上水箱,然后通过阀R1流入下水箱,再通过阀R2从下水箱中流出。流入量Q0由变频器控制泵来调节,流出量Q2由用户改变。被控量为下水箱的水位h2。由物料平衡方程可得:
上水箱:
下水箱:
其中A1、A2分别为上下两容器截面积, ,R1、R2为两阀门线性化水阻。
整理上述各式得:
其中:
两边作拉氏变换得:
加上纯滞后环节后:
2.2、双容水箱PID控制原理
PID控制是最早发展起来算法简单、鲁棒性好和可靠性高的控制策略之一,被广泛应用于工业过程控制。PID控制器就是采用比例(P)、积分(I)、微分(D)的规律来调节系统响应的自动控制器。它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的偏差信号e(t)将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。其数学模型可表示为:
(9)
(9)式中u(t)为控制器的输出;e(t)为控制器的输入;Kp为控制器的比例系数;T1为控制器的积分时间;TD为控制器的微分时间。比例作用能及时成比例地反应控制系统的偏差信号,起快速调节作用,迅速克服偏差。系数Kp越大,系统的响应速度越快,但可能产生超调和振荡,甚至导致系统的不稳定;如果Kp取值较小,则会降低调节精度,响应速度缓慢,延长调节时间,系统动、静态特性变坏。积分作用可保证被控量在稳态值,当TI较大时,则积分作用较弱,系统的过渡过程不易产生振荡,但是消除偏差所需的时间较长;当TI较小时,则积分作用较强,这时系统过渡过程中有可能会产生振荡,但消除偏差所需的时间较短。微分作用的主要是改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度,其作用强弱由微分时间常数TD决定。
2.3、串接PID控制的实现
主对象
副对象
副测量
主测量
副控制器
控制阀
主控制器
r1 r2=m1 c2 c1
pid1 pid2
图2
串级计算机控制系统的典型结构如上图所示,系统中有两个PID控制器,包围副调节器传递函数的内环称为副回路。包围主调节器传递函数的外环称为主回路。主调节器的输出控制量m1作为副回路的给定量r2.
串级控制系统的计算机顺序是先主回路(PID1),后副回路(PID2)。控制方式有两种:一种是异步采样控制,即主回路的采样控制周期T1是副回路采样控制周期T2的整数倍。这是因为一般串级控制系统中主控对象的响应速度慢、副控对象的响应速度快的缘故。另一种是同频采样控制,即主、副回路的采样控制周期相同。这时,应根据副回路选择采样周期,因为副回路的受控对象的响应速度较快。
串级控制的主要优点:
(1)、将干扰加到副回路中,由副回路控制对其进行抑制;
(2)、副回路中参数的变化,由副回路给予控制,对主控制器的影响大为减弱;
(3)、副回路的惯性由副回路给予调节,因而提高了整个系统的响应速度。
3、原理的应用仿真
按照数学模型,忽略两个水箱之间的相互影响,主、副对象的传递函数为:
3.1、单闭环PID控制系统的设计
打开matlab建立如图3所示的simulink模型。PID参数以衰减曲线法整定。控制系统中控制器参数设置成Kp作用,使系统投入运行,逐渐把比例度δ从大逐渐调小,直至出现4:1衰减过程曲线。
图3
在simulink中,把反馈连线断开,“KI”和“KD”都置为“0”,“Kp”的值从大到小进行试验,每次仿真结束后,观察输出,获取系统4:1衰减振荡曲线。PI控制整定时,比例放大系数KP=2.1666,积分时间常数TI=494.5,则KI=0.00438,输入“KP”、“KI”,将“KD”置为0,运行系统,双击“scope”得到如图4所示的结果,得到PID控制时系统的单位阶跃响应。
图4
3.2、串级PID控制系统的设计
先主回路开环,建立的simulink框图如图5所示。当KP =18时,副回路阶跃响应如图6所示。
图5
图6
此时从图6可以看出衰减比约为4:1,进入主回路闭环状态,取Kp =0.28整定主控制器,此时的simulink框图如图7所示。调节主调节器,当Kp1=7,将主回路闭环的条件下重新整定副控制器参数,当Kp=0.28,Kp1=7,KI=0.01815时,反复试验调节,系统阶跃响应如图8所示。此时系统的阶跃响应比较理想,也即整定的主回路的参数比较合适。
图7
图8
由图8可知,上升时间Ts=400s,超调量M=34.63%,系统经过两次震荡后趋于稳定,系统静态误差小于0.03,均满足要求。
3.3、串级控制系统和单闭环控制系统的比较
如图9将串级控制系统和单闭环控制系统的simulink模型搭建在一起,并在同一示波器scope1显示其阶跃响应曲线如图10:
图9
图10(紫色为单回路,黄色为串级控制)
由图10可作出下表:
表1 系统采用单回路控制和串级控制的对比
性能指标
单回路控制
Kp1=2.1666
Ki=0.00438
串级控制
Kp1=7
Ki=0.01815
Kp=0.28
上升时间
峰值时间
超调量
调节时间
450s
750s
50%
3300s
400s
750s
34%
2500s
由图10和表1分析可得:串级系统缩短了调节时间,提高了系统的快速性,减小了超调量提高了准确性。
4、结论
本研究的收获,研究的意义,研究的应用,原理与技术的今后发展。
通过以上理论分析和实验结果,可得出如下结论:
(1)、在上述双容水箱的控制系统中,副回路的惯性由副回路给予调节,提高了整个系统的响应速度。
(2)、控制系统由主回路和副回路双闭环构成,副回路的变化对主回路影响较小,可先调副回路的pid再调整个系统。
(3)、当中间变量能够被检测出来,而控制性能又要求很高时,或当副对象具有很大的滞后时,采用串级控制是非常有效的控制手段。
(4)、在实际中,一般单回路控制方案质量达不到要求时,采用串级控制方法是很有效的控制手段。
5、参考文献
[1]李华、范多旺《计算机控制系统》机械工业出版社;2007.4(2013.1重印)
[2]郭阳宽、王正林《过程控制工程及仿真》电子工业出版社;2009.4
[3]施伟锋、李妮娜《计算机控制系统实验手册》上海海事大学印刷;2014.9
[4]周毅钧、王传礼、伍 广、李雪斌 《双容水箱实验教学系统设计仿真》淮南职业技术学院报;2013年第4期第13卷
[5]王锦标、方崇智《过程计算机控制》 清华大学出版社; 第1版 (2005年9月1日)
展开阅读全文
计算机控制课设串级回路,计算机控制系统课程设计相关推荐
- 计算机控制课设串级回路,华北电力大学过程计算机控制课设ddc串级回路pid闭环.docx...
华北电力大学过程计算机控制课设ddc串级回路pid闭环.docx (26页) 本资源提供全文预览,点击全文预览即可全文预览,如果喜欢文档就下载吧,查找使用更方便哦! 9.90 积分 课程设计报告名称: ...
- 计算机控制课设串级回路,华北电力大学过程计算机控制课设DDC串级回路PID闭环.doc...
华北电力大学过程计算机控制课设DDC串级回路PID闭环.doc (27页) 本资源提供全文预览,点击全文预览即可全文预览,如果喜欢文档就下载吧,查找使用更方便哦! 24.9 积分 .课程设计报告名称 ...
- 计算机控制课设串级回路,华北电力大学过程计算机控制课设DDC串级回路PID闭环...
程序清单,/*---------------头文件定义---------------*/,#include<,#include<,#include<,#includ ...
- 计算机控制课设直流电机控制,计算机控制系统课程设计 直流电机测速调速系统 (精选可编辑)...
<计算机控制系统课程设计 直流电机测速调速系统 (精选可编辑)>由会员分享,可在线阅读,更多相关<计算机控制系统课程设计 直流电机测速调速系统 (精选可编辑)(31页珍藏版)> ...
- c语言课设宿舍管理程序,C语言程序课程设计宿舍管理软件.doc
C语言程序课程设计宿舍管理软件.doc 课程设计(论文) 题 目 名 称 宿舍管理软件 课 程 名 称 C语言程序课程设计 学 生 姓 名 学 号 系 .专 业 信息工程系.信息大类 指 导 教 师 ...
- 计算机控制系统课程设计交通灯,太原理工大学数字逻辑课设(交通灯)
<太原理工大学数字逻辑课设(交通灯)>由会员分享,可在线阅读,更多相关<太原理工大学数字逻辑课设(交通灯)(25页珍藏版)>请在人人文库网上搜索. 1.太原理工大学计算机科学与 ...
- c语言课设学生管理程序,c语言程序课程设计学生成绩管理程序.doc
c语言程序课程设计学生成绩管理程序 武汉科技大学 二〇一〇~二〇一一学年第一学期 信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称: C语言课程设计 班 级: 自动化2009级2班 学 号: 姓 名: 指 ...
- 计算机控制系统课程设计中期报告,课程设计中期报告模板.doc
课程设计中期报告模板概要 新疆大学 信息科学与工程学院 <程序设计>课程设计中期报告 题目: 专 业 计算机科学与技术 学 生 姓 名 学 号 联 系 方 式 班 级 计算机15-班 组 ...
- 计算机控制系统课程设计ad转换,计算机a/d转换器与系统的连接及举例
1.输入模拟电压的连接 a/d转换器的输入模拟电压可以是单端输入也可以是双端输入.如单通道8位a/d转换器adc0804的两个输入端为vin(-).vin(+),如果用单端输入的正向信号,则把vin ...
- java课设推荐,《Java程序设计》课程设计报告推荐.docx
<Java程序设计>课程设计报告推荐 <Java程序设计>课程设计报告2015-2016学年 第一学期设计题目整数进制转换学生姓名邹晓刚学 号0专业班级信管1303指导教师 姜 ...
最新文章
- 碾压Bert?“屠榜”的XLnet对NLP任务意味着什么
- tomcat端口问题
- JVM的常用配置参数
- poj 1797 Dijkstra算法
- linux系统sql语句报错_在linux下写的mysql无法插入,sql语句在复制中变'脏'了.
- SQL生成日期维度(到小时)
- vue组件的通信方式
- 从市场角度看服务器虚拟化
- Https java信任_java访问非经过信任证书https的方法
- 由儿时的游戏打保猜最广想到的
- 如何使用水经注下载地图
- Android手机端脚本录制
- 8.以微型计算机为中心,全国网络教育统一考试《计算机应用基础》复习要点
- 使用kermit串口工具时出现 /dev/ttyS0 is not a terminal device 错误
- 自动驾驶:道路交通领域的范式革命,交通强国建设的引擎
- 从山景城看,Android看起来像什么? 关于Google I / O的见解
- 存储基础:DAS/NAS/SAN存储类型及应用
- VMware Workstation15配置虚拟网络编辑器固定IP地址
- 机械臂避障与轨迹规划仿真
- 各种计算机语言简短简介