摘要
在过程工业中被控制量通常有以下四种: 液位、压力、流量、温度。
而液位不仅是工业过程中常见的参数，且便于直接观察，也容易测量。
过程时间常数一般比较小。
以液位过程构成实验系统,可灵活地进行组态，实施各种不同的控制方案。
液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置。
国外很多实验室有此类装置，如瑞典LUND大学等。
很多重要的研究报告、模拟仿真均出自此类装置!
本次设计也是基于这套水箱液位控制装置来实现的。
这套系统由多个水箱，液位检测变送器，电磁流量计，涡轮流量计，自动调节阀，控制面板等喝多器件构成。
液位控制的发展从七十年代到九十年代经历了几个阶段，控制理论由经典控制理论到现代控制理论，再到多学科交叉；控制工具由模拟仪表到DCS，再到计算机网络控制；控制要求与控制水平也由原来的简单、安全、平稳到先进、优质、低耗、高产甚至市场预测、柔性生产。
而其中应用最广泛的就是PID 控制器。
这次首先是用一天半的时间让我们熟悉各种建模的方法。
学会建立了最初的四种模型。
接着后几天就是开始熟悉各种控制系统，以及运用它们去控制水箱的液位，从而更加深刻的理解控制的概念。
并且在过程中，要熟练学会调整PID的参数，学会使用MATLAB等。
关键词：水箱液位 PID控制前馈控制
一. 设计题目
双容水箱液位前馈—反馈控制系统设计
二. 设计任务
如图所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中通过变频器对下水箱液位施加干扰，支路二则设置调节阀为保持下水箱液位恒定。
试设计前馈—反馈控制系统以维持下水箱液位的恒定。
2
图1 双容水箱液位控制系统示意图
三. 设计要求
设上、下水箱系统均以进水量为输入、水箱水位高度为输出，且均可用一阶惯性环节近似，其中上水箱系统的稳态增益为2，惯性时间常数为10；下水箱系统稳态增益为1，惯性时间常数为96。
两水箱串联工作。
1）当只有第二支路向上水箱注水时，试对该双容水箱液位系统的动态特性进行仿真，并画出相应的单位阶跃响应曲线。
若用一阶惯性环节对该双容对象加以近似，试用作图法确定相应的模型参数，并比较新建模型与原模型的单位阶跃响应。
2）当第二支路投运10s后，第一支路由变频器控制向上水箱注水施加干扰，干扰量位均值为0、方差为0.01的白噪声，试对该双容水箱液位系统在此种情况下的动态过程进行仿真；
3）针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P、I、D各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述；
4）针对该受扰的液位系统设计前馈—反馈控制，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。
四、设计报告
1)设计任务分析（包括系统建模、单回路控制以及前馈—反馈控制方案的理论
比较）；
1.系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要
用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。
对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。
控制对象特性：
1
102
)()()(111+=
∆∆=
T s U s H s G p （上水箱传递函数）； 1
961
)()()(122+=∆∆=T s H s H s G p （下水箱传递函数）。
控制器：PID ； 执行器：控制阀；
干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。
当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。
该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。
考虑到前馈-反馈控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，引入前馈，检测上水箱干扰，将信号送至控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。
设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下：
Q 3
在无干扰情况下，整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化。
然后，加入前馈控制，在有干扰的情况下，比较单回路控制、前馈-反馈控制系统性能的变化，前馈-反馈控制系统框图如下：
2）设计任务
A.当只有第二支路向上水箱注水时，对该双容水箱液位系统的动态特性进行
仿真，相应的单位阶跃响应曲线如下：
由作图法：
2
1
2)0()(=-=∆-∞=
u y y K 其中，τ=8，T=130
由动态参数法进行整定：
B. 当第二支路投运10s 后，第一支路由变频器控制向上水箱注水施加干扰，
干扰量位均值为0、方差为0.01的白噪声时，对该双容水箱液位系统在此种情况下的动态过程进行仿真：
开环：MATLAB 仿真图形如下：
闭环：MATLAB仿真图形如下：
3) 单回路PID控制的设计（包括PID参数的整定方法与步骤、Simulink的建模与仿真、有、无干扰情况下仿真结果的比较）；
1.单回路PID控制的设计
MATLAB仿真框图如下（无干扰）：
先对控制对象进行PID参数整定，这里采用衰减曲线法，衰减比为4：1。
A.将积分时间Ti调为最大值，即MATLAB中I参数为0，微分时间常数TD调为
零，比例带δ为较大值，即MATLAB中K为较小值。
B.待系统稳定后，做阶跃响应，系统衰减比为4：1时，阶跃响应如下图：
从图上读出衰减振荡周期：
s T s
301545=-=
进而得到整定参数为：
032.025
8
.08.0===s δδ,即25.31=p K s T T s 93.01==
s T T s d
31.0==
使用以上PID 整定参数得到阶跃响应曲线如下：
观察以上曲线可以初步看出，经参数整定后，消除了稳态误差，系统的性能
有了很大的改善。
2.现向控制系统中加入干扰，以检测系统的抗干扰能力：
MATLAB仿真框图如下（有干扰）：
使用以上PID整定参数得到阶跃响应曲线如下：
观察以上曲线，并与无干扰时的系统框图比较可知，系统稳定性下降较大，在干扰作用时，很难稳定下来，出现了长时间的小幅震荡，由此可见，单回路控制系统，在有干扰的情况下，很难保持系统的稳定性能，考虑前馈控制。
2)前馈—反馈控制系统的设计（包括前馈—反馈控制结构的设计、全补偿控制
器的设计、Simulink的建模与仿真、全补偿与非全补偿仿真结构的比较）；
前馈—反馈控制结构方块图如下：
系统的MATLAB仿真框图如下（有噪声）：完全补偿：
非完全补偿：
观察以上曲线，并与完全补偿的系统框图比较可知，系统稳定性下降，完全补偿能很好的控制精度。
3)总结（包括课程设计过程中的学习体会与收获）。
通过这段时间的努力尝试，过程控制课程设计已经接近尾声。
这其中的酸甜苦辣只有亲自经历过，才能深刻体会到。
我自己也从这次课程设计中收获颇丰。
在先前已经进行的过程控制课程学习，让我们对各种控制系统以及
生产控制过程中所运用的一些理论知识有了初步的了解。
课程设计让我有了这次机会，我们利用水箱系统，探究了书本中所学的一些理论知识。
包括前馈——反馈控制系统等。
也让我们对PID参数的整定有了详细的了解。
刚开始建模时，难免遇到了许多困难，但是经过学习后，慢慢走上了正轨。
很多东西也变得轻车熟路起来。
这也让我对MATLAB的应用有了很好的认识。
为我以后的学习及工作奠定了很好的基础。
二○○八～二○○九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：过程控制与集散系统课程设计班级：
学号：
姓名：
指导教师：
二○一三年十月。