课程设计—基于互耦水槽控制的几种-PID整定方法的比较研究2.doc
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1、_基于互耦水槽控制的几种PID整定方法的比较研究 一、实验目的1、互耦水槽动态系统建模; 2、互耦水槽简单反馈控制系统设计和PID参数整定方法的仿真比较研究;3、互耦水槽串级反馈控制系统设计和PID参数整定方法的仿真比较研究。二、实验设备装有Matlab软件的计算机;实验室水槽三、设计思路1、互耦水槽的介绍互耦水槽系统由两个相同的水槽组成。两个水槽通过阀门V3 连接在一起,当阀门V3 打开时,两个水槽的液位之间相互耦合,水槽之间的流量(Q12)受两个水槽液位的影响,得到我们流入水槽的流量受泵的控制,对泵的控制是通过调节DC电动机的电枢电压来实现的。水槽的液位通过压电传感器测量,所测得的输出电压
2、值与液位成比例关系。原理图如图1所示:图1 互耦水槽系统原理图2、互耦水槽的建模本文的建模方法是先使互耦水槽控制系统处于开环稳定的过程,使其输入量作一定的变化,测得被控过程的阶跃响应曲线,然后再根据阶跃响应曲线,求出互耦水槽的传递函数。2.1被控对象的阶跃响应曲线给pump1一个恒定电压V1,使H2约为水槽水位的一半,记为H20,再将pump1的电压调至V1+0.5V,给系统一个阶跃输入,然后记录系统输出H2随时间的变化,只到H2稳定,得到其阶跃响应曲线。在实验中,V1=6.5V。系统的阶跃响应曲线如下:图2 无干扰时得到的阶跃响应曲线 图3 加干扰时得到的阶跃响应曲线2.2两点法建立对象模型
3、由得到的阶跃响应曲线可知,因为实际过程中存在很多干扰和测量误差,我们得到的数据不是一条平滑的曲线。因此在用两点法之前要对数据进行滤波处理,这里用了Matlab中的FDAtool滤波器设计工具,设计一个截止频率为三倍f0的IIR滤波器,滤波后的阶跃响应曲线如下:图4 滤波后的无干扰阶跃响应曲线图5 滤波后的有干扰阶跃响应曲线令系统的传递函数为G(S)e-ts由图4可知:Y()=1.3424 故:KY()/U=1.3424/0.4=2.68令: Y(t1)=0.39*1.3424=0.5237 Y(t2)=0.632*=0.8424由图分析可知:t1=142.8s t2=269.6sT=2(t2-
4、t1)=253.6s t=2t1-t2=16s故无干扰时所得系统模型为:G(S)e-16s由图5可知:Y()=1.2963 故:KY()/U=1.32963/0.4=2.59令: Y(t1)=0.39*1.2963=0.5063 Y(t2)=0.632*1.2963=0.8194由图分析可知:t1=132s t2=262.8sT=2(t2-t1)=261.6 s t=2t1-t2=1.2s故加干扰时所得系统模型为:G(S)e-1.2s3、对所建模型的验证对建好的模型给一阶跃输入,观察其输出,与实际数据进行比较。图6为无干扰时所建模型与实际的阶跃响应曲线比较,图7为有干扰时所建模型与实际的阶跃响
5、应曲线比较。图6 无干扰时所建模型与实际的阶跃响应曲线比较Ip1=2dt0.42=2.346910-4其中t为终止时间,t0为起始时间,H(t)为实际响应曲线,H0(t)为模型的响应曲线。图7 有干扰时所建模型与实际的阶跃响应曲线比较Ip2=2dt0.42=8.810-4其中t为终止时间,t0为起始时间,H(t)为实际响应曲线,H0(t)为模型的响应曲线。比较Ip1和Ip2可知,有干扰时建模的准确度要差很多。4、控制器参数整定41 稳定边界法先让调节器按比例控制工作,从小到大逐渐改变调节器的比例度,直到系统产生等幅振荡;记录此时的临界比例度Pm等幅振荡的周期Tm,再通过经验公式的简单计算,求出
6、调节器的整定参数。控制系统的系统框图如图8所示:图8 控制系统框图C(S)为PID控制器,首先将其Ti取为无穷大,Td取0,选择一个相对较大的P值,在工况稳定的情况下,将控制系统投入自动运行状态。然后加一个小的阶跃扰动,并减小P,直到系统出现等幅振荡,记录此时的P值(Pm)及等幅振荡的周期Tm.Pm=1/km=0.1083,等幅振荡曲线如图9所示:图9稳定边界法的等幅振荡曲线由图可知Tm=64.4s由经验公式得:整定参数调节规律P(Kp)Ti(Kt)Td(Kd)P21.65%(4.62)PI23.84%(4.2)54.57(0.077)PID18.42%(5.43)32(0.1697)8.05
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