水箱液位控制設(shè)計

1、目錄第一章 概述11.1 題目背景及應用意義11.2 本文內(nèi)容及工作安排2第二章 被控對象數(shù)學建模32.1 系統(tǒng)組成32.2被控對象數(shù)學建模4第三章 控制策略設(shè)計及仿真研究73.1 控制策略設(shè)計73.2 仿真研究10第四章 控制策略實現(xiàn)124.1 組態(tài)環(huán)境下控制策略編程實現(xiàn)124.2 運行結(jié)果分析13第五章 總結(jié)14參考文獻15附錄 被控對象S函數(shù)源代碼16第一章 概述1.1 題目背景及應用意義題目背景：雙容水箱液位控制系統(tǒng)實驗裝置是模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對液位,流量參數(shù)進行測量、控制、觀察其變化特性、研究過程控制規(guī)律的工具,具有過程控制的大慣性、大時延、非線性、難以對其進行精確控制的一般特點,是

2、研究控制理論與控制過程、過程控制教學、實驗和研究的理想課題。液位控制的工業(yè)應用自動控制技術(shù)在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做液位自動控制系統(tǒng)方面的設(shè)計公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計不多，所以人們清楚地認識到自動控制技術(shù)在液位控制工業(yè)應用中的重要地位和作用，70年代至今，由于集成電路及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)了過程控制最優(yōu)化與自動化技術(shù)相結(jié)合的計算機控制，隨著這個過程，控制理論的應用有了新的發(fā)展，各種先進控制技術(shù)也能廣泛應用于工業(yè)過程。液位控制本身具有過程控制中動態(tài)過程的一般特點：大慣性、大時延、非線性，控制過程比較復雜，但是，隨著社會生產(chǎn)

3、力的發(fā)展，自動化技術(shù)的日趨成熟，各種先進控制技術(shù)也應用到液位控制中來，如自適應控制、預測控制、模糊控制、還有可以用神經(jīng)網(wǎng)絡進行控制，甚至應用建模技術(shù)，可以對過程實時建摸，更加提高了控制效果。應用意義： 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位是過程控制中的常見參數(shù)，被處理物料的液位高低直接影響到生產(chǎn)過程能否順利進行，因此對生產(chǎn)過程中的各類原料貯罐、反應器、塔器等單元操作設(shè)備進行液位控制就顯得尤為重要。將單元操作設(shè)備所處理的物料液位限制在工藝允許的波動范圍內(nèi)，是液位控制系統(tǒng)最主要的控制目標。隨著工業(yè)的發(fā)展液位控制在各種過程控制中的應用越來越廣泛，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。例如，在石油化工輕工和食品等工業(yè)生產(chǎn)

4、過程中,有許多貯罐作為原料,為保證生產(chǎn)過程能連續(xù)的正常進行,必須對貯罐的液位進行控制；居民生活用水的供應，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的還有一些水處理的過程也許要對蓄水池中的液位實施控制液位需要維持合適的高度；鍋爐水位控制系統(tǒng)是鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，汽包水位是工業(yè)鍋爐安全穩(wěn)定運行的重要指標,是自動控制系統(tǒng)主要控制目標，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于提高蒸汽品質(zhì)，減少設(shè)備損耗和運行損耗，確保整個熱力網(wǎng)安全運行具有重大意義。諸如此類的應用還有很多，總而言之，液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，液位控制在鋼鐵、石油化工、食品灌裝等各個行業(yè)中應用極為普及，對此進行研究有很高的實用價值。1.2 本

5、文內(nèi)容及工作安排本課程設(shè)計的主要工作內(nèi)容是使雙容水箱系統(tǒng)的下水箱液位位保持在設(shè)定值不變。具體包括以下幾個方面： 系統(tǒng)組成分析，認真閱讀設(shè)計中用到的實驗裝置的使用說明書，分析液位控制系統(tǒng)的組成、工作原理、特性參數(shù)。 控制方案制定，制定液位控制系統(tǒng)的控制方案，包括擬采用何種控制策略控制、使用何種軟件環(huán)境實現(xiàn)、計劃達到何種控制效果。 水箱的數(shù)學建模，建立水箱數(shù)學模型并分析其控制特性。 控制策略設(shè)計及仿真研究，設(shè)計液位控制系統(tǒng)的控制策略，并在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真研究，得到較為滿意結(jié)果。 控制策略實現(xiàn)，將設(shè)計的控制策略在組態(tài)軟件下實現(xiàn)，同時實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)顯示和曲線繪制、過程動畫組態(tài)

6、等功能。本課程設(shè)計說明書包括五章，分別是概述、被控對象數(shù)學建模、控制策略設(shè)計及仿真研究、控制策略實現(xiàn)和總結(jié)。第一章是全文的概述，一方面對本設(shè)計課題的背景及應用意義作簡要闡述，旨在使讀者對本設(shè)計的意義與方向有一個總體的把握，另一方面，介紹了本文內(nèi)容及工作安排；第二章是被控對象數(shù)學建，首先介紹了該系統(tǒng)由哪幾部分組成，每一部分分別完成何種功能，并且整個系統(tǒng)的具體工作原理、工作過程是怎么樣的，然后又闡述了對被控對象的分析以及被控對象的數(shù)學模型的建立等詳細過程，其中設(shè)計用到了大量水力學的知識；第三章是控制策略設(shè)計與仿真，首先這一部分主要闡述設(shè)計控制策略或控制算法的全過程，然后介紹了在MATLAB/SIM

7、ULINK環(huán)境下仿真模型的建立、從仿真結(jié)果分析控制策略的性能、仿真中反映的一些問題及解決措施等主要內(nèi)容。本設(shè)計采用典型I型系統(tǒng)設(shè)計控制器，設(shè)計出的為比例積分控制器。在MATLAB/SIMULINK里建立文件，并且進行仿真。對仿真出的圖像進行分析，從而得出系統(tǒng)的性能指標，并考慮如何改進才可以達到更好的控制效果；第四章為控制策略實現(xiàn)，首先講述了仿真驗證后的控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實現(xiàn)過程，然后講述了對控制策略或控制算法在力控組態(tài)環(huán)境下的組態(tài)實現(xiàn)后，進行實物控制的結(jié)果分析；第五章為總結(jié)，本部分主要是對整個設(shè)計工作總結(jié)，具體取得哪些成績，還存在哪些不足及急需改進之處。第二章 被控對象數(shù)

8、學建模2.1 系統(tǒng)組成 三容水箱實驗裝置由計算機、水箱主體、差壓變送器、氣動調(diào)節(jié)閥、I/V轉(zhuǎn)換裝置、電/氣轉(zhuǎn)換裝置、空氣壓縮機、水泵等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，本實驗中只用到2號水箱和3號水箱組成的雙容液位系統(tǒng)。（1）計算機計算機是整個液位控制系統(tǒng)的控制核心，在計算機上安裝了力控組態(tài)軟件及板卡驅(qū)動，用我們編寫好控制腳本程序，通過設(shè)置好的端口與板卡連接，控制整個液位系統(tǒng)。（2）水箱主體水箱主體是由三個透明有機玻璃水箱、一個蓄水槽及多個閥門和連接件構(gòu)成, 本實驗中只用到2號水箱和3號水箱組成的雙容液位系統(tǒng)，對每個水箱可以采用插入阻力板的方法來改變其流出的流量特性,其阻力板根據(jù)縫隙式流量計原理設(shè)計為

9、線性阻力板和非線性阻力板可以根據(jù)需要構(gòu)成不同類型的被控對象，如線性和非線性等，本實驗中用到的為線性阻尼板。（3）PCI-8333 多功能接口卡 PCI-8333 多功能接口卡是計算機與液位控制系統(tǒng)連接的中間樞紐和轉(zhuǎn)換裝置，三容水箱通過PCI-8333 多功能接口卡與計算機相連。 在PCI-8333 多功能接口卡中設(shè)有A/D、D/A 轉(zhuǎn)換裝置，以方便連接使用；最后操作系統(tǒng)中安裝接口卡驅(qū)動，并進行一些設(shè)置與硬件設(shè)備相對應。（4）差壓變送器三容水箱采用電容式差壓變送器來測量水箱液位，變送器輸出信號范圍：420 mA。被測差壓通過電容傳感器轉(zhuǎn)換成電容差和電容和之比的變化,次變化經(jīng)轉(zhuǎn)換部分的電子線路轉(zhuǎn)換

10、為直流輸出信號。（5）I/V轉(zhuǎn)換裝置變送器輸出信號范圍：420 mA，欲轉(zhuǎn)換成電壓信號需用到I/V轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果為010V。（6）氣動調(diào)節(jié)閥 三容水箱液位控制系統(tǒng)采用 ZMAY 型氣關(guān)式氣動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機構(gòu)。ZMAY 型氣動薄膜小流量調(diào)節(jié)閥,適用于較小流量的調(diào)節(jié), 它具有結(jié)構(gòu)緊湊, 體積小, 重量輕, 安裝維護方便的特點。氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)使用彈性膜片將輸入氣壓轉(zhuǎn)換為對推桿的推力, 通過推桿使發(fā)信產(chǎn)生相應的位移 , 改變閥的開度。 （7）電/氣轉(zhuǎn)換器電/氣轉(zhuǎn)換器是基于力矩平衡原理進行工作的。三容水箱液位控制選用 QZD 型電/氣轉(zhuǎn)換器，它是工業(yè)自動化儀表中電動和氣動儀表信號之間的信號轉(zhuǎn)

11、換元件。用以將調(diào)節(jié)器輸出的420mA電流信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換器成比例地轉(zhuǎn)換成00201 MPa 氣動模擬信號以驅(qū)動氣動執(zhí)行器。通過電/氣轉(zhuǎn)換器可以組成電/氣混合系統(tǒng)以便發(fā)揮各自的優(yōu)點，擴大其使用范圍。工作原理及過程：比較環(huán)節(jié)控制器被控對象 圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖三容水箱工況組合如下：穩(wěn)壓水源經(jīng)手閥Vc分兩路分別經(jīng)過調(diào)節(jié)閥Vc1、Vc2（氣動閥）及手閥V1V6可分別進入各個水箱。其中一路為正常工藝液體的通路，Vc1為正常工藝液體的調(diào)節(jié)閥，可以通過選擇手閥V1、V3、V5的開關(guān)形式來獲得不同階次的被控對象。，另一路的調(diào)節(jié)閥Vc2和手閥V2、V4、V6構(gòu)成干擾通路，選擇進入1、2、3號水箱的手閥V2、V4、

12、V6的開關(guān)形式，即可改變擾動加入的位置，以便做干擾加入位置對調(diào)節(jié)質(zhì)量影響的實驗 本實驗所用到的系統(tǒng)為雙容系統(tǒng)，所以選擇手閥V1關(guān)、V3開、V5關(guān)。在實驗中不考慮加入擾動作用，所以V2、V4、V6全關(guān)。 對于被控參數(shù)-水箱液位系統(tǒng)，平衡后當流入側(cè)閥門開大時，流入量大于流出量，導致液位上升。同時由于出水壓力的增大使流出量逐漸增大，其趨勢是重新建立起流入量與流出量之間的平衡關(guān)系，即液位上升到一定高度時，使流出量增大到與流入量相等，重新建立起平衡關(guān)系，液位最后穩(wěn)定在某一高度上；反之，液位會下降，并最終穩(wěn)定在另一高度上。2.2被控對象數(shù)學建模 雙容水箱液位對象的模型如圖1所示。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，單位

13、時間內(nèi)進入被控過程的物料減去單位時間內(nèi)從被控過程流出的物料等于被控過程內(nèi)物料存儲量的變化率。 所以狀態(tài)方程為：液容定義為引起單位位能變化所需要的容器中存儲液體量的變化，容器的液容等于容器的橫斷面積。 由于每個水箱的水流經(jīng)過阻力板后流出，阻力板板孔非常小，靠近板孔的水流向孔內(nèi)收縮，水流不斷加速，如圖5所示。在進行阻力板流量特性分析時，水箱中的水流是相當復雜，無法精確的分析，而且液體具有收縮性、粘性等性質(zhì)。所以在分析流量特性的過程中一般只能在理想條件下求解，最后通過實驗測定阻力板流量系數(shù)，加以修正。 圖5 阻力板水流 圖6 線性阻力板圖6裝置中具有專門針對水的流形、水箱的多級水流避震、消弱多項措施

14、，底部是一個寬為B，高為A的矩形孔，上部為寬X隨高度Z增加逐漸縮小的隙縫，滿足關(guān)系式：對給定最大流量為1.0 m3/h 時，A=5mm，B=14.784mm。 圖7 線性阻尼板截面截面由理想伯努力方程得到：處理得：建立直角坐標系，取過阻力板底邊的直線為x軸，過底邊的中點垂直向上為z軸。實際液位高度為H，取z為積分變量，它的變化區(qū)間為 0 , H ，采用定積分元素法可以求得不同液位高度時流過阻力板的液體流量。 （1）當（2）當下面先求令，則，由于上式前兩項非常小及，所以可簡化為 實際的液體有粘性，在流動過程中必然有能量損失，因此實際流量比理想值要小，引入修正系數(shù)后，上式就為 實驗測得 。二容水箱

15、的線性數(shù)學模型 ， Y= Gs=1|(sI-A)|CadjSI-AB+DI=1001 SI=S00SD=SI-A=S+B2gAC20-B2gAC3S+B2gAC3Aij=（-1）i+jMij A11=S+B2gAC3 A12 =B2gAC3 Aij=0 Aij=S+B2gAc2 adjSI-A=A11A21A12A22已知： A=5mm， B=14.784mm， C=169510mm，C=166585 mm，=0.6，取g=9.8Gs=1SI-ACadjSI-AB+D=0 1S+0.0166700.01667S+0.016385.89×10-60= 0.01667×5.89

16、×10-6S+0.01667(S+0.01638)=0.000361+60S(1+61S)第三章 控制策略設(shè)計及仿真研究3.1 控制策略設(shè)計設(shè)計典型I型系統(tǒng)：圖8 典型I型系統(tǒng)假設(shè)二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：如果H（s）1，則閉環(huán)傳遞函數(shù)為：式中 阻尼比；n自然（無阻尼）諧振頻率。閉環(huán)頻率響應：0，即無阻尼時，Mr ，0.707，Mr1即無諧振。因此，諧振峰值Mr也表示系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。Mr越大，瞬態(tài)響應超調(diào)量Mp也越大。在0.40.7的范圍內(nèi)，1Mr1.4代表瞬態(tài)響應性能較好。當Mr1.5時（0.4）瞬態(tài)響應出現(xiàn)振蕩，并出現(xiàn)幾次超調(diào)。時域中階躍響應的超調(diào)量也與阻尼比有關(guān)0，即無阻尼時

17、,Mp=1,系統(tǒng)振蕩；1時，Mp0，系統(tǒng)無超調(diào)。根據(jù)大量的工程經(jīng)驗，=0.707為最佳阻尼比，本步驟采用工程算法進行設(shè)計，根據(jù)典型的I型系統(tǒng)的動態(tài)性能指標與各有關(guān)參數(shù)的關(guān)系。使=0.707。Gcs=kp+kis=ki1s+1s T 1=60 T 2=61 k 1=0.00036 Gcs=kp+kis 1=60 K=k1k2 當=0.707時kT1=0.50.00036×k2×T1=0.5k2=0.50.00036×60=23.148GCS=23.148(61s+1)s3.2 仿真研究模型建立：（1）雙擊打開SIMULINK模塊庫；（2）選擇信號源庫中需要的模塊,將

18、其拖入自己的模型窗口中。圖9雙容液位控制系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)配置：(1) 階躍信號的參數(shù)設(shè)置圖 10 階躍信號的參數(shù) (2) 信號發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置圖 11 信號發(fā)生器的參數(shù)（3）控制器的參數(shù)設(shè)計圖 12 控制器的參數(shù) （4）限幅值的參數(shù)設(shè)置圖13限幅值的參數(shù)結(jié)果分析：未加入調(diào)節(jié)裝置時的參數(shù)： = （ 終值=68.2 幅值=69.3 復現(xiàn)性：不能很好地跟隨和復現(xiàn)輸入信號未加入調(diào)節(jié)裝置時的波形為： 終值：圖14不加控制器時的波形加入調(diào)節(jié)裝置時的參數(shù)： （）= ）= 終值=69 幅值=72復現(xiàn)性：能較好地跟隨和復現(xiàn)輸入信號加入調(diào)節(jié)裝置加入階躍響應時的波形為：圖15加控制器時的波形分析：PI具有比例控制器快速響應和積分控制器可以消除系統(tǒng)偏差的特點，PI的使用使液位能夠及時準確以及穩(wěn)定的變化，產(chǎn)生較為滿意的液位控制。從以上仿真的結(jié)果可以看出仍然有一些偏差,主要原因如下：（1）分段線性化分段PI參數(shù)值不能完全與被控對象相匹配，所以控制性能與典型I型系統(tǒng)的理想性能指標有一定的偏差。（2）限幅環(huán)節(jié)限幅環(huán)節(jié)的存在使系統(tǒng)具有一定的非線性特性，同樣影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，靜態(tài)誤差為零，根據(jù)變參數(shù)PI控制的特點，液位在每段范圍內(nèi)唯一對應一組PI參數(shù)值，在