PDF《控制系统仿真实验报告》

三、 主要仪器设备 计算机 MATLAB 软件 CS4000 型过程控制实验装置双容水箱液位系统 专业: 自动化控制 姓名: 李姝扬 学号:

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2012 年5月8日地点: 装订线控制系统仿真实验 实际对象的建模与仿真

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66 Figure

1 实验装置图 系统提供一组有机玻璃四容水箱, 每个水箱装有液位变送器;

通过阀门切换, 任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱.本实验进行双容(一阶、二阶)液 位对象特性测试实验,使用一号和三号水箱.

四、 操作方法和实验步骤

1、 信号连接 PLC 左下角两排绿色的为接线端子 上排为模拟量输入:两路模拟信号输入水箱液位 下排为模拟量输入:一路模拟量输出信号控制调节阀

2、 开启设备电源,按下启动按钮,打开主回路泵、电动调节阀以及检测设备

3、 将液位对象进出口手阀开至合适位置,使水箱液位大概保持恒定

4、 打开 PLC 电源

5、 启动上位机监控软件:组态王

6、 将调节阀阀位设置在 50%左右,软件中设置输入值为

500

7、 在组态王中切换到运行系统(文件选项中切换到 view)

8、 寻找稳态工作点:通过改变进出口阀门(粗调) 、电动调节阀(细调)

9、 进行手动调节――阶跃信号输入(输入值 0-1000 对应阀位 0-100%) .改变电 控制系统仿真实验 实际对象的建模与仿真

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66 动调节阀阀位 ,观察液位变化

10、至另一稳态后将阀位设置为初始稳态阀位,观察液位变化(也可快速回到初 始状态)

11、采用伪随机信号输入,需要设置采样周期、信号幅值

12、查询数据并保存

13、分析处理数据

五、 实验数据记录、处理以及结果分析 1. 液位控制系统的建模――机理法 本实验研究对象为一个无相互影响的双容液位系统. Figure

2 双容液位系统示意图 两容器的流出阀均为手动阀门,流量 只与容器1的液位 有关,与容器2 的液位 无关.容器2的液位也不会影响容器1的液位,两容器无相互影响. 由于两容器的流出阀均为手动阀门,故有非线性方程: 过程的原始数据模型为: 令容器

1、容器

2 相应的线性水阻分别为 和:其中 为容器

1 的初始液位, 为容器

2 的初始液位. 则有过程传递函数: 则可以推出下面关系式: 控制系统仿真实验 实际对象的建模与仿真

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66 令时间常数 和 ,最终可得该过程的传递函数为: 可见, 虽然容器

1 的液位会影响容器

2 的液位,但容器

2 的液位不会影响容 器1,二者不存在相互影响;

过程的传递函数相当于两个容器分别独立时的传递 函数相乘,但过程增益为两个独立传递函数相乘的 倍.令 ,对液位 h 则控制系统过程传递函数为: 由上述分析可知, 该过程传递函数为二阶惯性环节,相当于两个具有稳定趋 势的一阶自平衡系统的串联, 因此也是一个具有自平衡能力的过程.其中时间常 数的大小决定了系统反应的快慢, 时间常数越小, 系统对输入的反应越快, 反之, 若时间常数较大(即容器面积较大) ,则反应较慢.由于该过程为两个一阶环节 的串联,过程等效时间常数 ,故总体反应要较单一的一阶环节 慢的多.因此通常可用一阶惯性环节加纯滞后来近似无相互影响的多容系统. 2. 液位控制系统的建模――测试法 测试法建模通常根据输入输出数据建立对象的模型. 2.1. 对数据需要进行预处 系统建模时, 要求输入输出数据的统计特性与统计时间起点无关,且均值为 0.而实际测量直接得到的数据是随机时间序列,须进行数据预处理,主要包括 消除数据的趋势项、去稳态、去均值、对测量数据进行滤波和重新采样. 下面通过第一组数据,即二阶对象的阶跃响应数据进行分析. 2.1.1. 数据平滑 分别使用普通的 smooth, lowess, rlowess, loess 以及 sgolay 方法进行数据平 滑处理,得到结果如下. %smooth y1=smooth(AD,30);