基于MATLAB液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計畢業(yè)論文.doc

銅陵學(xué)院畢業(yè)論文（初稿）論文題目：基于MATLAB液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 選題背景人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應(yīng)，溶液過濾，污水處理，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度，太滿容易溢出造成浪費，過少則無法滿足需求。因此，需要設(shè)計合適的控制器自動調(diào)整蓄液池的進出流量，使得蓄液池內(nèi)液位保持正常水平，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些不同背景的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用非常長廣泛，可以把一個復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)簡化成一個水箱液位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，所以就選擇了該題目的設(shè)計。由于液位檢測應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標(biāo)和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。畢業(yè)論文進度安排：2012年9月20日選論文題目基于MTLAB液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計2012年12月25日寫出畢業(yè)論文的提綱2013年3月5日完成論文的初稿2013年5月5日完成畢業(yè)論文指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日畢業(yè)論文（設(shè)計）寫作提綱一、論文題目基于MTLAB液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計二、論題觀點來源：在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。三、基本觀點：液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 四、論文結(jié)構(gòu)： 一概述1.1液位串級控制系統(tǒng)介紹 1.2 MATLAB軟件介紹二被控對象建模2.1水箱模型分析2.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型三系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真3.1 PID控制原理3.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計3.3控制系統(tǒng)仿真 四結(jié)論五參考文獻畢業(yè)論文（設(shè)計）工作中期檢查表系別： 班級： 學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師 職稱論文（設(shè)計）題目基于MTLAB液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計選題是否有變化否如有，請?zhí)顚懺蚴欠褚蝗艘活}否是否進行了選題背景、及寫作提綱是是否進行了文獻調(diào)研是本論文擬解決的關(guān)鍵問題選擇參數(shù)這個是個讓我頭疼的問題。因為之前學(xué)的自控原理似乎完全是在學(xué)數(shù)學(xué)而已。對參數(shù)的理解這是它如何滿足我們“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”這個三個要求而已，而完全不了解它的實際工程中的意義。所以在仿真的時候我也是用試的方法來確定參數(shù)。教師填寫部分論文（設(shè)計）進度情況： 提前完成 正常進行 延期滯后（請寫出原因）工作態(tài)度情況（學(xué)生對畢業(yè)論文（設(shè)計）的認(rèn)真程度、完成指導(dǎo)教師布置任務(wù)情況）： 認(rèn)真 較認(rèn)真 一般 不認(rèn)真中期質(zhì)量評價（學(xué)生已完成部分的工作質(zhì)量情況）： 好 中 差存在的問題與建議： 指導(dǎo)教師（簽名）： 年 月 日 系畢業(yè)論文（設(shè)計）工作領(lǐng)導(dǎo)小組意見（如被查學(xué)生為差的，請系畢業(yè)論文設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)小組寫出處理意見）： 領(lǐng)導(dǎo)小組組長（簽名）： 年 月 日基于MTLAB液位控制系統(tǒng)研究與設(shè)計摘 要： 本論文的目的是設(shè)計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設(shè)計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設(shè)計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計并組建遠(yuǎn)程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞： 液位 模型 PID控制 計算機過程控制系統(tǒng) 一概述1.1液位串級控制系統(tǒng)介紹液位串級控制系統(tǒng)圖 在工業(yè)實際生產(chǎn)中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為重要。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，常常需要對某些設(shè)備和容器的液位進行測量和控制。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計欠妥，會造成生產(chǎn)中對液位控制的不合理，導(dǎo)致原料的浪費產(chǎn)品的不合格，甚至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實際意義。 在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計中展開設(shè)計控制系統(tǒng)及工程實現(xiàn)的工作。雖然是采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，但是將利用數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件，以下將對它們的主要內(nèi)容進行說明。1.2 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運算、信號分析、計算機技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進行許多科學(xué)研究的重要工具。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經(jīng)過10余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設(shè)計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。 MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。MATLAB系統(tǒng)由五個主要部分組成：(1)MATALB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣數(shù)組語言具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計和算法實驗的基本任務(wù)，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。 (3)圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。 (5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 MATLAB還具有根強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。MATLAB具有豐富的可用于控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的函數(shù)，MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統(tǒng)分析、設(shè)計和建模的各種算法；MATLAB的系統(tǒng)辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它用結(jié)構(gòu)框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應(yīng)線性、非線性系統(tǒng)；連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)；單任務(wù)，多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。二被控對象建模在控制系統(tǒng)設(shè)計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數(shù)學(xué)模型。被控對象的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計過程控制系統(tǒng)、確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)、整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等的重要依據(jù)。被控對象的數(shù)學(xué)模型（動態(tài)特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應(yīng)輸出量（被控量）變化函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設(shè)計工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負(fù)責(zé)供水與儲水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析Q112Q2Ah 圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。液位h越高，水箱內(nèi)的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或瀉水的過程。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達式。 根據(jù)動態(tài)物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在靜態(tài)時，Q1=Q2，dh/dt=0；當(dāng)Q1發(fā)生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，液位h與流量之間為非線性關(guān)為了簡便起見，做線性化處理得 Q2=h/R2，經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：Q1 Q2h:分別為偏離某一個平衡狀態(tài)Q10Q20h0的增量。R2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過程的時間常數(shù)(T=R2C) K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2) C:液位過程容量系數(shù)2.2階躍響應(yīng)曲線法建立模型在本設(shè)計中將通過實驗建模的方法，分別測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。通過磁力驅(qū)動泵供水，手動控制電動調(diào)節(jié)閥的開度大小,改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號，記錄階躍響應(yīng)曲線。 在測定模型參數(shù)中可以通過以下兩種方法控制調(diào)節(jié)閥，對被控對象施加階躍信號：(1) 通過智能調(diào)節(jié)儀表改變調(diào)節(jié)閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入。(2) 通過在MCGS監(jiān)控軟件組建人機對話窗口，改變調(diào)節(jié)閥開度,控制水箱進水量的大小，從而改變水箱液位，實現(xiàn)對被控對象的階躍信號輸入?？刂七M水量供水施加階躍輸入信號階躍響應(yīng)輸出電動磁力泵電動調(diào)節(jié)閥上水箱/下水箱 圖2.2 水箱模型測定原理圖 1上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定：按圖連接實驗線路,手動操作調(diào)節(jié)器,控制調(diào)節(jié)閥開度,使初始開度OP1=50,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=60,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時間后,水箱液位重新進入平衡狀態(tài)。 圖2.3上水箱階躍響應(yīng)曲線記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)):123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.90表2.1上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)2下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定：按圖連接實驗線路,手動操作調(diào)節(jié)器,控制調(diào)節(jié)閥開度,使初始開度OP1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調(diào)節(jié)閥開度至OP2=50,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態(tài)。經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時間后,水箱液位重新進入平衡狀態(tài)。 圖2.4下水箱階躍響應(yīng)曲線記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30s采集數(shù)據(jù)): 154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10表2.2下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)由于實驗測定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)最小二乘法原理和實驗數(shù)據(jù)對響應(yīng)曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。兩組實驗數(shù)據(jù)中將階躍響應(yīng)初始點的值作為Y軸坐標(biāo)零點，后面的數(shù)據(jù)依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點；將對應(yīng)Y軸上階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)點的采集時間作為曲線上各X點的值。3求取上水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： x=0:30:420； y=0 6.88 11.63 15.07 17.7 19.69 21.15 21.94 22.55 23.44 23.63 23.84 24.14 24.25 24.27 ； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:420； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。 在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.5上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得到多項式的表達式：P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991。根據(jù)曲線采用切線作圖法計算上水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T。而斜率K為P(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P(0)= 0.24707,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,A點映射在t軸上的B點的值為T。圖2.6上水箱模型計算曲線階躍響應(yīng)擾動值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比，所以上水箱傳遞函數(shù)為 4.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0: 30:1650；y=0 3.17 6.26 9.51 12.54 15.5 18.4 20.77 22.98 25.05 26.85 28.86 30.59 32.32 33.69 35.16 36.42 37.74 39.02 40.09 41.16 42.02 42.94 43.47 44.43 45.17 45.81 46.4146.99 47.4 47.79 48.24 48.77 49.17 49.34 49.65 49.91 50.37 50.82 51.04 51.51 51.78 52.06 52.31 52.39 52.59 52.63 52.92 53.18 53.26 53.3 53.36 53.54 53.64 53.8 53.8；p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:1650； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.7下水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數(shù)據(jù)點。數(shù)據(jù)點與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得到多項式的表達式P(t)= -1.1061e(-011)t4+5.7384(e-008)t3 -0.00011849t2 +0.12175t-0.31385.根據(jù)曲線采用切線作圖法計算下水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T.而斜率K為P(t)在t=0的導(dǎo)數(shù)P(0)=0.12175,以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點,A點映射在t軸上的B點的值為T。圖2.8下水箱模型計算曲線階躍響應(yīng)擾動值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值與階躍擾動值之比，所以下水箱傳遞函數(shù)為。在實驗建模的過程中，實驗測取的被控對象為廣義的被控對象，其動態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測量變送器，即廣義被控對象的傳遞函數(shù)為，為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s)為測量變送器的傳遞函數(shù)。三系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真控制方案設(shè)計是過程控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，需要以被控過程模型和系統(tǒng)性能要求為依據(jù)，合理選擇系統(tǒng)性能指標(biāo)，合理選擇被控參數(shù)，合理設(shè)計控制規(guī)律，選擇檢測、變送器和選擇執(zhí)行器。選擇正確的設(shè)計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮良好的作用。3.1 PID控制原理目前，隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，PID控制技術(shù)日趨成熟。先進的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)PID控制的計算機系統(tǒng)等。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。y(t)+r(t) 比例P積分I微分D被控對象圖3.1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實際值y(t)構(gòu)成控制偏差：。PID控制規(guī)律為：或以傳遞函數(shù)形式表示：式中，KP:比例系數(shù) TI:積分時間常數(shù) TD:微分時間常數(shù) PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。特別對于有較大慣性或滯后環(huán)節(jié)的被控對象，比例積分控制能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，應(yīng)根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。由于實驗測定的過程數(shù)學(xué)模型只能近似反映過程動態(tài)特，理論計算的參數(shù)整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)試驗中進行控制器參數(shù)整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。1.臨界比例法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，將調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk表3.1臨界振蕩整定計算公式2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度k和衰減周期Tk。根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器參數(shù)： 調(diào)節(jié)器參數(shù)控制規(guī)律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS表3.2阻尼振蕩整定計算公式3.反應(yīng)曲線法若被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)或具有很小的純滯后，則可根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程測量變送器階躍響應(yīng)特性進行近似計算。在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器的輸出響應(yīng)曲線，并根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)。3.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計1控制系統(tǒng)性能指標(biāo)(1) 靜態(tài)偏差：系統(tǒng)過渡過程終了時的給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差。(2) 衰減率：閉環(huán)控制系統(tǒng)被施加輸入信號后，輸出響應(yīng)中振蕩過程的衰減指標(biāo)，即振蕩經(jīng)過一個周期以后，波動幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。為了保證系統(tǒng)足夠的穩(wěn)定程度，一般衰減率在0.75-0.9。(3) 超調(diào)量：輸出響應(yīng)中過渡過程開始后，被控參數(shù)第一個波峰值與穩(wěn)態(tài)值之差，占穩(wěn)態(tài)值的百分比，用于衡量控制系統(tǒng)動態(tài)過程的準(zhǔn)確性。(4) 調(diào)節(jié)時間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的時間2方案設(shè)計設(shè)計建立的串級控制系統(tǒng)由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。主調(diào)節(jié)器有自己獨立的設(shè)定值R，他的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.通過針對雙容水箱液位被控過程設(shè)計串級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動f1(t)作用于副對象時，副調(diào)節(jié)器能在擾動影響主控參數(shù)之前動作，及時克服進入副回路的各種二次擾動，當(dāng)擾動f2(t)作用于主對象時，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強。m2m1e1c1擾動f1(t)e2設(shè)定值Rc2擾動f2(t)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器執(zhí)行器副對象主對象測量與 變送器2測量與 變送器1圖3.2串級控制系統(tǒng)框圖(1) 被控參數(shù)的選擇應(yīng)選擇被控過程中能直接反映生產(chǎn)過程能夠中的產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，又易于測量的參數(shù)。在雙容水箱控制系統(tǒng)中選擇下水箱的液位為系統(tǒng)被控參數(shù)，因為下水箱的液位是整個控制作用的關(guān)鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調(diào)節(jié)欠妥當(dāng)，會造成整個系統(tǒng)控制設(shè)計的失敗,且現(xiàn)在對于液位的測量有成熟的技術(shù)和設(shè)備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等。(2) 控制參數(shù)的選擇從雙容水箱系統(tǒng)來看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統(tǒng)的流量，二是經(jīng)下水箱流出系統(tǒng)的流量。調(diào)節(jié)這兩個流量都可以改變液位的高低。但當(dāng)電動調(diào)節(jié)閥突然斷電關(guān)斷時，后一種控制方式會造成長流水，導(dǎo)致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。所以選擇流入系統(tǒng)的流量作為控制參數(shù)更合理一些。(3) 主副回路設(shè)計為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。副回路應(yīng)對于包含在其內(nèi)的二次擾動以及非線性參數(shù)、較大負(fù)荷變化有很強的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力。主副回路時間常數(shù)之比應(yīng)在3到10之間，以使副回路既能反應(yīng)靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統(tǒng)設(shè)計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。 (4) 控制器的選擇根據(jù)雙容水箱液位系統(tǒng)的過程特性和數(shù)學(xué)模型選擇控制器的控制規(guī)律。為了實現(xiàn)液位串級控制，使用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主調(diào)節(jié)器選擇比例積分微分控制規(guī)律(PID)，對下水箱液位進行調(diào)節(jié)，副調(diào)節(jié)器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進行調(diào)節(jié)，并輔助主調(diào)節(jié)器對于系統(tǒng)進行控制，整個回路構(gòu)成雙環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。3.2 控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設(shè)備，添加傳遞函數(shù)，設(shè)置仿真參數(shù)。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對串級控制系統(tǒng)進行仿真，以模擬實際中的階躍響應(yīng)曲線，考察串級系統(tǒng)的設(shè)計方案是否合理。1. 階躍響應(yīng)性能圖3.3 SIMULINK仿真框圖通過手動切換開關(guān)（Manual Switch）可以實現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力。在時間為0時對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P參數(shù)為KP=50，在初始點加40點階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。3.4 MATLAB加入副回路仿真曲線圖圖3.5 MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.4為加入副回路時的仿真曲線：圖3.5為切除副回路時的仿真曲線.由3.4和3.5兩圖對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)后動態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了很大的改善，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對被控對象的調(diào)節(jié)能力更強。 2抗擾動能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應(yīng)曲線. 在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動信號。控制器參數(shù)不變。圖3.6 SIMULINK仿真框圖圖3.7 MATLAB加入副回路仿真曲線圖3.8 MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.7為加入副回路時的仿真曲線：圖3.8為切除副回路時的仿真曲線.由圖3.7和圖3.8對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進入副回路的擾動,及時消除擾動對主參數(shù)的影響.在克服二次擾動方面串級控制比不加副回路的非串級控制好。綜上所述,選擇串級PID控制的設(shè)計方案完成對水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的.而且在改善系統(tǒng)的動態(tài)特性、抗擾動能力等方面與非串級控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計算機上通過對實際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實際系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)場必須綜合考慮各方面的因素,不可能得到與計算機仿真一致的理想曲線和控制性能。四結(jié)論通過本次畢業(yè)設(shè)計，我將書本上學(xué)過的知識（自動控制原理、過程控制原理、微機控制技術(shù)等）應(yīng)用于實際控制系統(tǒng)的組建之中，在實驗室中完成了儀表過程控制系統(tǒng)和計算機過程控制系統(tǒng)的組建,實現(xiàn)了對雙容水箱液位的串級控制。在實際的工程實踐中，我受益非淺，學(xué)習(xí)到了許多新的知識，掌握了實際操作的技能，特別是能夠?qū)械闹R與實際設(shè)計聯(lián)系起來，使對自動控制的理解上升到一個新的臺階。在設(shè)計中使用了MATLAB軟件，利用這個軟件可以對控制系統(tǒng)進行分析和建模。特別是利用SIMULINK工具箱可以便捷地對不同的控制系統(tǒng)進行仿真，通過對PID控制的仿真，可以清楚的比較不同控制方案的優(yōu)劣，對在設(shè)計控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題在計算機中進行模擬，使對系統(tǒng)的設(shè)計方案更加明確。在實際控制系統(tǒng)的組建中，控制方案的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核心，一個好的設(shè)計方案能夠使系統(tǒng)的設(shè)計事半功倍，應(yīng)當(dāng)根據(jù)被控過程的特性和工程要求綜合設(shè)計系統(tǒng)。對于設(shè)計的兩種控制系統(tǒng)，可以做進一步的改進。在設(shè)計方案方面，由于是通過控制電動調(diào)節(jié)閥的開度以改變水箱液位，可以增加輸入的水流量作為控制對象，使得對調(diào)節(jié)閥的控制更加直接。同時上下水箱間的輸水閥和下水箱與總出水箱輸水閥的開度大小也會對液位的控制造成影響，應(yīng)當(dāng)考慮如何對他們進行控制。在硬件設(shè)備方面，可以使用采集速度更快的儀表，加強控制器的調(diào)節(jié)能力，改善電動調(diào)節(jié)閥的工作性能。在條件允許的情況下，采用更高精度的采集模塊。在控制器方面，可以對控制方法進行改善，雖然電動調(diào)節(jié)閥的控制信號是位置信號，但調(diào)節(jié)閥動作仍是通過控制電機改變閥位，可考慮能否采用增量算法直接控制電機，克服位置算法中因需要累加偏差而造成執(zhí)行機構(gòu)動作過大的缺點。在實際的工作崗位上，將要設(shè)計不同的控制系統(tǒng)，工業(yè)現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)不同于實驗室中的控制系統(tǒng)的設(shè)計，更不同于書本中的理論和公式，要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際情況進行設(shè)計，將面臨遠(yuǎn)比實驗室復(fù)雜的多的現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)計系統(tǒng)未