基于MATLAB的三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、百旗文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自就安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)一基于MATLAB的三容水箱液位串級(jí)指導(dǎo)教師2011年6月1日百座文暉-讓每個(gè)人平等地提升自期基于MATLAB的三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要液位是工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中重要的被控量之一，因此液位控制的研究具有專門大的現(xiàn)實(shí)意義。水箱的液位控制對(duì)石油、冶金、化工等行業(yè)來(lái)講必不可少口本論文的目的是設(shè)計(jì)三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，運(yùn)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。第一對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)險(xiǎn)建模法求取模型的傳遞函數(shù).然后，按照被控對(duì)象模型和被控進(jìn)程特性并加入P

2、ID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)串皴控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析.同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)際控制的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了申皴控制對(duì)提高系統(tǒng)性能的作用.隨著運(yùn)算機(jī)控制技術(shù)的迅速進(jìn)展，組態(tài)技術(shù)開始取得重視與運(yùn)用，它能夠?qū)ｉT好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的各種問(wèn)題，利用戶能按照控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程口關(guān)鍵詞：液位，串級(jí)控制，PIB調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)仿真2百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我AbstractLiquidlevelisoneofimportantcontrolledvariablesinindustrialprocess,soresearchonithasgreatrealis

3、ticpurposeofthisthesisistodesigntheliquidlevel'scascadecontrolsystemofthedesignmakesfulluseoftheautomaticindicatortechnique、thecomputertechnique、thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizecascadecontrolofwavertank's,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects1mode

4、l,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,Idesignthecascadecontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystemanddesignthecascadecontrolsystem,accordingtothemodelofcontrolledobjectandcharacteristicofcontrolledprogress,jioningthemodul

5、atorofthemeantime,bycomparingthecontrolsystemfunctions,!validatetheeffectsofcascadecontrolsystemonacceleratingsystemcomputercontroltechnologydevelopsatahighspeed,configurationtechnologyisregardedandused,whichcansolvesomanyproblemsoftraditionalindustrialcontrolsoftwarethatuserscanconfigureatwilltofin

6、ishtheirautomaticprojectsaccordingtotheirobjectandgoal.Keywords：liquidlevel,cascadecontrol,P1Dmodulator,systemsimulation.7目錄1緒論1進(jìn)程控制概述1進(jìn)程控制的特點(diǎn)1工業(yè)進(jìn)程控制的進(jìn)展概況2進(jìn)程運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)2液位串級(jí)控制系統(tǒng)概述4串級(jí)控制系統(tǒng)大體概念即組成結(jié)構(gòu)4系統(tǒng)特點(diǎn)及分析4MATLAB軟件介紹5MATLAB系統(tǒng)組成5基于MATLAB的數(shù)值處置62被控對(duì)象建模7實(shí)驗(yàn)法簡(jiǎn)介7實(shí)驗(yàn)步驟介紹8水箱數(shù)據(jù)收集方式介紹：9上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：9中水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：9下水箱階躍

7、響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：11數(shù)據(jù)擬合與水箱傳遞函數(shù)求取11求取上水箱模型傳遞函數(shù)11求取中水箱模型傳遞函數(shù)13求取下水箱模型傳遞函數(shù)143控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真17控制系統(tǒng)的選擇17PID控制簡(jiǎn)介18比例（P）控制18積分（I）控制19微分（D）控制19PID控制器參數(shù)整定194.控制系統(tǒng)仿真21階躍響應(yīng)性能21加入副回路的仿真21去除副回路的仿真22加入擾動(dòng)235.進(jìn)程儀表控制與運(yùn)算機(jī)控制26儀表控制系統(tǒng)概述26進(jìn)程儀表介紹26檢測(cè)部份26執(zhí)行機(jī)構(gòu)27控制器28運(yùn)算機(jī)進(jìn)程控制系統(tǒng)29遠(yuǎn)程運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)概述29MCGS組態(tài)軟件概述29MCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn)30運(yùn)算機(jī)控制與進(jìn)程儀表控制比較3162吉論33致謝

8、34參考文獻(xiàn)35附錄：英文資料及譯文361 .英文資料362 .譯文44百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地提升自我1緒論進(jìn)程控制概述進(jìn)程控制的特點(diǎn)進(jìn)程控制是通過(guò)各類檢測(cè)儀表、控制儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子運(yùn)算機(jī)（看做一臺(tái)儀表）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。一個(gè)進(jìn)程控制系統(tǒng)是由被控進(jìn)程和進(jìn)程檢測(cè)儀表兩部份組成的。進(jìn)程檢測(cè)控制儀表包括檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括運(yùn)算機(jī)）、調(diào)節(jié)閥等。進(jìn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是按照工業(yè)進(jìn)程的特性和工藝要求，通過(guò)選用進(jìn)程檢測(cè)控制儀表組成系統(tǒng)，再通過(guò)PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)程的最佳控制。進(jìn)程控制有以下特點(diǎn)：（1）它是

9、連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。過(guò)程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，其被控量需定量的控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。（2）被控過(guò)程是多種多樣、非電量的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。工業(yè)控制很復(fù)雜。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品多種多樣，因此過(guò)程控制中的被控過(guò)程是多種多樣的。它們的動(dòng)態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大滯后、非線形特性。有些機(jī)理復(fù)雜的過(guò)程至今尚未被人們所認(rèn)識(shí)，所以很難用目前過(guò)程辨識(shí)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此設(shè)計(jì)能適應(yīng)各種過(guò)程的控制并非易事。（3）過(guò)程控制的控制過(guò)程多屬慢過(guò)程，而且多半為參量控制。由于被控過(guò)程具有大慣性、大滯后（大時(shí)延）等特性，因此決定了過(guò)程控制的控制過(guò)程多屬慢過(guò)程。（4）過(guò)程控制方案

10、十分豐富。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝條件越來(lái)越復(fù)雜對(duì)控制過(guò)程的要求越來(lái)越高。過(guò)程控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以被控過(guò)程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過(guò)程的復(fù)雜多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線形等等。（5）定值控制是過(guò)程控制的一種常用形式。在石油、化工、電力、冶金等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，過(guò)程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在該值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗的目標(biāo)。三容水箱液位定值控制系統(tǒng)是一種重要的過(guò)程控制，在石油、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它對(duì)液位設(shè)定值，利用申行控制系統(tǒng)，使下水箱液位保百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我持在該值，

11、并跟隨此給定值，抵抗擾動(dòng)。它只有一個(gè)控制變量，即下水箱液位，屬于單輸入、單輸出控制，通常把它組建為過(guò)程儀表控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。工業(yè)進(jìn)程控制的進(jìn)展概況自本世紀(jì)30年代以來(lái)，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地進(jìn)展并取得了驚人的成績(jī)，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)進(jìn)展中起著關(guān)鍵性的作用。進(jìn)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部份，普遍運(yùn)用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。初期的進(jìn)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部份單元組合儀表，進(jìn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，進(jìn)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以維持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)固和消除主要擾動(dòng)為控

12、制目的進(jìn)程。其后，串級(jí)控制，比值控制和前饋控制等復(fù)雜進(jìn)程控制系統(tǒng)慢慢應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開始大量采用，同時(shí)電子技術(shù)和運(yùn)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于進(jìn)程控制領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設(shè)定值控制（SPC）o以后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)，以極大值和動(dòng)態(tài)計(jì)劃為主要方式的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估量所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決進(jìn)程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時(shí)變性等問(wèn)題，使得工業(yè)進(jìn)程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時(shí)新型的散布式控制系統(tǒng)（DCS）集運(yùn)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)

13、自動(dòng)化己進(jìn)入運(yùn)算機(jī)集成進(jìn)程系統(tǒng)（CIPS）時(shí)期,并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向進(jìn)展。進(jìn)程運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)代化進(jìn)程工業(yè)向著大型化和持續(xù)化的方向進(jìn)展，生產(chǎn)進(jìn)程也隨之日趨復(fù)雜，而對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益的要求，對(duì)生產(chǎn)的安全、靠得住性要求和對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻愈來(lái)愈高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和靠得住性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量現(xiàn)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能知足對(duì)現(xiàn)代化進(jìn)程工業(yè)的控制要求。由于運(yùn)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高、存儲(chǔ)量大、編程靈活和具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處置器、單片微處置器為核心的工業(yè)控

14、制兒與數(shù)字調(diào)節(jié)器一進(jìn)程運(yùn)算機(jī)設(shè)備，正慢慢取代模擬調(diào)節(jié)器，在進(jìn)程控制中取得十分普遍的作用。在系統(tǒng)中，由于運(yùn)算機(jī)只能處置數(shù)字信號(hào)，因此給定值和反饋量要先通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入運(yùn)算機(jī)。當(dāng)運(yùn)算機(jī)同意了給定值和反饋量后，依照誤差值，按某種控制規(guī)律（PID）進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制作用。1 .進(jìn)程運(yùn)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部份：（1）由中央處置器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器組成的運(yùn)算機(jī)主機(jī)是組成運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部份，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處置、邏輯判斷、控制量計(jì)算、越限報(bào)警等，通過(guò)接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各類控制命令，指揮系統(tǒng)安全靠得住的

15、協(xié)調(diào)工作。（2）包括各類控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，操作人員能夠通過(guò)操作臺(tái)向運(yùn)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；運(yùn)算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（3）通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器、閃存等，它們用來(lái)顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各類數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是運(yùn)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量I/O通道將有傳感變送器取得的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)進(jìn)程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)）變換成二進(jìn)制代碼傳送給運(yùn)算機(jī)；同時(shí)將運(yùn)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)程的控制。2

16、 .進(jìn)程運(yùn)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部份：（1）系統(tǒng)軟件由運(yùn)算機(jī)及進(jìn)程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來(lái)管理運(yùn)算機(jī)本身資源，方便用戶利用運(yùn)算機(jī)。（2）應(yīng)用程序由用戶按照要解決的控制問(wèn)題而編寫的各類程序（如各類數(shù)據(jù)收集、濾波程序、控制量計(jì)算程序、生產(chǎn)進(jìn)程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的好壞將影響到控制系統(tǒng)的功能、精度和效率。液位串級(jí)控制系統(tǒng)概述在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，液位是進(jìn)程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油、化工、環(huán)保、水處置、冶金等行業(yè)尤其重要。在工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程自動(dòng)化中，常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過(guò)液位的檢測(cè)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)進(jìn)程中各環(huán)節(jié)

17、的物料搭配適當(dāng)。通過(guò)控制運(yùn)算性能夠不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行進(jìn)程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。若是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥，會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理，致使原料的浪費(fèi)、產(chǎn)品的不合格，乃至造成生產(chǎn)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。串級(jí)控制系統(tǒng)大體概念即組成結(jié)構(gòu)申級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)固主變量而引入的輔助

18、變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副進(jìn)程組成：主回路111主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副進(jìn)程和主進(jìn)程組成。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且乂能改善進(jìn)程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)取得進(jìn)一步提高。系統(tǒng)特點(diǎn)及分析* 改善了進(jìn)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。* 能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。* 提高了系統(tǒng)的工作頻率。* 對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)變的適應(yīng)性較強(qiáng)。4百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國(guó)MathWo

19、rks公司開發(fā)的，是目前國(guó)際上最流行、應(yīng)用最普遍的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它普遍應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、運(yùn)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處置、語(yǔ)音處置、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(guó)內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。MATLAB最先發(fā)行于1984年，通過(guò)10余年的不斷改良，現(xiàn)今已推出基于Windows2000/xp的MATLAB版本。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處置中的各類功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處置和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶能夠集成地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項(xiàng)操作。MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)

20、環(huán)境，該系統(tǒng)的大體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對(duì)象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說(shuō)明，使得工程應(yīng)用變得加倍速捷和便利。MATLAB系統(tǒng)組成(l)MATALB語(yǔ)言體系MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語(yǔ)言.具有條件控制、函數(shù)挪用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z(yǔ)言特性。利用它既能夠進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的大體任務(wù)，也能夠進(jìn)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(duì)MATLAB提供給用戶利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式，和開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各類工具。(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)

21、圖示、圖像處置、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，和開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各類工具。(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)這是對(duì)MATLAB利用的各類數(shù)學(xué)算法的總稱.包括各類初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)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(gè)函數(shù)庫(kù)，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中利用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中挪用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。3百度文庫(kù)-讓每個(gè)人平等地提升自我基于MATLAB的數(shù)值處置現(xiàn)代科學(xué)與工程的進(jìn)展離不開數(shù)學(xué)。數(shù)

22、學(xué)家感興趣的問(wèn)題和其他科學(xué)家、工程技術(shù)人員所關(guān)注的問(wèn)題是不同。數(shù)學(xué)家往往對(duì)數(shù)學(xué)問(wèn)題的解析解和解的存在性嚴(yán)格證明感興趣，而工程技術(shù)人員一般對(duì)如何求出數(shù)學(xué)問(wèn)題的解更關(guān)心。換句話說(shuō)，能用某種方式取得問(wèn)題的解則是工程技術(shù)人員更關(guān)心的問(wèn)題。而取得如此解的最直接方式就是通過(guò)數(shù)值解法技術(shù)。數(shù)學(xué)問(wèn)題的數(shù)值解法已經(jīng)成功地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。而MATLAB語(yǔ)言就可以夠求解幾乎所有的數(shù)值問(wèn)題，在本設(shè)計(jì)中就將運(yùn)用它來(lái)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合。數(shù)據(jù)擬合成曲線的思想就是按照一組二維數(shù)據(jù)，即平面上的若干點(diǎn)，要求肯定一個(gè)一元函數(shù)y=即曲線，使這些點(diǎn)與曲線整體來(lái)講盡可能接近，曲線擬合其目的是按如實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)去成立因變量與自變量之間

23、有效的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系，為進(jìn)一步的深切研究提供線索。92被控對(duì)象建模設(shè)汁三容水箱液位進(jìn)程控制系統(tǒng)必需先成立三容水箱的進(jìn)程模型。進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)進(jìn)程控制系統(tǒng)，肯定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等等的重要依據(jù)，所以進(jìn)程數(shù)學(xué)模型是進(jìn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和應(yīng)用的重要資料。進(jìn)程建模對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)程的自動(dòng)化具有十分重要的意義。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，咱們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱、中水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對(duì)象，必需通過(guò)測(cè)定和計(jì)算他們模型，來(lái)分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱、中水箱和下水箱為THJ-2高級(jí)進(jìn)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上、中、下三個(gè)個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水

24、箱，還有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cin;中水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm,每一個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。而成立進(jìn)程數(shù)學(xué)模型的大體方式，一般來(lái)講有機(jī)理分析法和實(shí)驗(yàn)法兩種。機(jī)理分析法建模乂可被稱為數(shù)學(xué)分析法建模和理論建模。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的被控進(jìn)程建?？刹捎么朔??？墒?，由于很多工業(yè)進(jìn)程其內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，對(duì)某些物理，化學(xué)進(jìn)程目前尚不完全清楚，所以對(duì)這些較復(fù)雜進(jìn)程的建模較為困難，再加上工業(yè)進(jìn)程非線性因素的存在和一些不合理的人為假設(shè)，使得機(jī)理法建模在對(duì)較為復(fù)雜的進(jìn)程建模時(shí)顯出短處。現(xiàn)在，工程上普遍采用實(shí)

25、驗(yàn)法建模。顧名思義，實(shí)驗(yàn)法建模的主要特點(diǎn)是不需要深切了解進(jìn)程的機(jī)理。只要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)，去取得進(jìn)程所包括的充沛的信息量，就可以夠依照必然的方式取得被控進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型，而控制理論已有相關(guān)成熟的方案，即工程上普遍采用的階躍響應(yīng)曲線法。實(shí)驗(yàn)法簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)法建?？煞譃榧訉ｉT信號(hào)和不加信號(hào)兩種。加專門信號(hào)就是在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中改變所研究的進(jìn)程輸入量，對(duì)其輸出量進(jìn)行數(shù)據(jù)處置就可求得進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型。不加專門信號(hào)既利用進(jìn)程在正常操作時(shí)所記錄的信號(hào)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)求得進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型。一般來(lái)講這種方式只能定性到反映進(jìn)程數(shù)學(xué)模型，其精度較差。所以，為了能取得精度較高的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)采用加專門信號(hào)的實(shí)驗(yàn)法。產(chǎn)生專門信號(hào)的發(fā)生

26、器多種多樣，下面介紹常用的階越響應(yīng)曲線法來(lái)辨識(shí)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。它的原理很簡(jiǎn)單，在被控過(guò)程的輸入量作階越變化時(shí)，測(cè)定其輸出量隨時(shí)間變化的曲線，即得階越響應(yīng)曲線。為了在實(shí)驗(yàn)時(shí)能滿足下水箱液位能達(dá)到設(shè)定的高度，要求三只水箱放水閥的開度必須滿足下列關(guān)系：上水箱放水閥開度)中水箱放水閥開度下水箱放水閥開度(1)這樣，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行與穩(wěn)態(tài)時(shí)，三個(gè)水箱液位高度關(guān)系必然會(huì)滿足下列不等式：下水箱液位中水箱液位)上水箱液位(2)即知足上述的不等式后，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)流量的平衡關(guān)系。實(shí)驗(yàn)步驟介紹1 .完成接線，接通電源.2 .打開閥門,3只放水閥的開度知足式(1)要求.3 .設(shè)置系統(tǒng)的給定值后，用手操作調(diào)節(jié)器的輸出

27、，以控制3只水箱液位的高度。當(dāng)下水箱的液位等于給定值，且上、中水箱的液位大體不變時(shí)，把調(diào)節(jié)器由手動(dòng)切換為自動(dòng)，使系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。4 .為突變給定量，施加階躍信號(hào)，提高各調(diào)節(jié)閥開度，使得節(jié)約擾動(dòng)值為10,使各水箱從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)，并記錄水位轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)。圖水箱階躍響應(yīng)框圖水箱數(shù)據(jù)收集方式介紹：上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：控制調(diào)節(jié)閥開度，使初始開度0PF50,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至OPF60,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào)，使其液位離開原平衡狀態(tài)。通過(guò)必然調(diào)節(jié)時(shí)刻后，水箱液位從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)（距離30s收集數(shù)據(jù)）：16111627121738131849141951

28、01520表上水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)中水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定：控制調(diào)節(jié)閥開度，使應(yīng)參數(shù)測(cè)定初始開度0P尸45,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至02:55,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開原平衡狀態(tài)。通過(guò)必然調(diào)節(jié)時(shí)刻后，水箱液位從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)（距離30s收集數(shù)據(jù)）:171319281420391521410162251117236121824表中水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)百度文庫(kù)讓每個(gè)人平等地提升自我下水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測(cè)定:控制調(diào)節(jié)閥開度，使初始開度0P尸40,等到水箱的液位處于平衡位置時(shí)。改變調(diào)節(jié)閥開度至0巳二50,即對(duì)上水箱輸入階躍信號(hào),使其液位離開原平衡狀態(tài)。通過(guò)必然調(diào)

29、節(jié)時(shí)刻后，水箱液位從頭進(jìn)入平衡狀態(tài)。記錄階躍響應(yīng)參數(shù)(距離30s收集數(shù)據(jù)):113253749214263850315273951416284052517294153618304254719314355820324456921334557102234465811233547591224364860表下水箱階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)擬合與水箱傳遞函數(shù)求取由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)可能存在誤差，直接利用計(jì)算法求解水箱模型會(huì)使誤差增大。所以利用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處置，按照最小二乘法原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行最佳擬合后，再計(jì)算水箱模型。運(yùn)用MATLAB提供的一組函數(shù)polyfit、polyval和plot能

30、夠取得比較滿意的多項(xiàng)式擬合曲線。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=0:30:540;y=;p二polyfit(x,y,5);xi=0:3:540;yi=polyval(p,xi);Plot(x,y,xi,yi,'-')35在MATLAB中繪出曲線如下:按照曲線采用切線作圖法計(jì)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)生階躍的剎時(shí)，即廿0時(shí)，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，需肯定K和T。而斜率K為P(t)導(dǎo)數(shù)在t=0的值為，以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為To階躍響應(yīng)擾動(dòng)值

31、為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值)，(8)二與階躍擾動(dòng)值四二10之比血=3,所以上水箱傳遞函數(shù)為G1(S)=_£。xO605+1求取中水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0:30:420;y=;p二polyfit(x,y,3);xi=0:3:420;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'-')在MATLAB中繪出曲線如下：圖中水箱模型計(jì)算曲線同上，斜率K為P(t)導(dǎo)數(shù)在t=0的值為，以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T。階躍響應(yīng)擾動(dòng)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),(8)

32、二與階躍擾動(dòng)值10二10之比攵0=止2,所以中水箱傳遞函數(shù)%0747為GKS)=，105S+1求取下水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令:x=0:30:1500;y=p二polyfit(x,y,3);xi=0:3:1500;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'-')在MATLAB中繪出曲線如下:圖下水箱模型計(jì)算曲線同上，斜率K為P(t)導(dǎo)數(shù)在廿0的值為，以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn),A點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為To階躍響應(yīng)擾動(dòng)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)，(s):與階躍擾動(dòng)值ZLt0=,所以下水箱傳遞函數(shù)xO為GK

33、S)=5.344535+13控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真控制系統(tǒng)的選擇計(jì)算三容水箱液位進(jìn)程控制系統(tǒng)必需先成立三容水箱的進(jìn)程模型。進(jìn)程的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)進(jìn)程控制系統(tǒng)，肯定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等等的重要依據(jù)，所以進(jìn)程數(shù)學(xué)模型是進(jìn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和應(yīng)用的重要資料。進(jìn)程建模對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)程的自動(dòng)化具有十分重要的意義。三容水箱液位定值控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是三容水箱，被控參數(shù)是下水箱液位，控制參數(shù)是上水箱的給水量，可用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。若采用單回路控制，其系統(tǒng)框圖如下：圖單回路控制系統(tǒng)框圖由于被控對(duì)象為三容水箱系統(tǒng)，為了知足對(duì)控制精度和功能的更高要求，單回路系統(tǒng)已難以知足此類被控對(duì)象，需要在單回

34、路的基礎(chǔ)上，采取其它辦法，組成比單回路系統(tǒng)復(fù)雜一些的控制系統(tǒng)，三閉環(huán)吊級(jí)控制系統(tǒng)就是一個(gè)選擇。圖三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)框圖PID控制簡(jiǎn)介在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為普遍的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制,簡(jiǎn)稱PID控制，乂稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)固性好、工作靠得住、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型時(shí):控制理論的其它技術(shù)難以采歷時(shí).，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必需依托經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)肯定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)咱們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象,或不能通過(guò)有效的測(cè)量手腕來(lái)取得系統(tǒng)參

35、數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是按照系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。圖PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PID控制器是一種線性控制器，它按照給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)組成控制誤差e(t),B|Je(t)=r(t)-c(t)o將誤差的比例(P)、積分、微分通過(guò)線性組合組成控制量，對(duì)進(jìn)程對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器?？刂埔?guī)律為“=Kp"(/)+(卜力+。，力其中K.一比例系數(shù)，7；一積分時(shí)刻常數(shù)北一微分時(shí)刻常數(shù)比例(P)控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸

36、出存在穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-stateerror)o積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，若是在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱那個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError）o為了消除穩(wěn)態(tài)誤差,在控制器中必需引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)刻的積分，隨著時(shí)刻的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。如此，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)刻的增加而加大,它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，能夠使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸

37、出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的轉(zhuǎn)變率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)進(jìn)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩乃至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其轉(zhuǎn)變老是掉隊(duì)于誤差的轉(zhuǎn)變。解決的辦法是使抑制誤差的作用的轉(zhuǎn)變“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，如此，具有比例+微分的控制器，就可以夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，乃至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)峻超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微

38、分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)進(jìn)程中的動(dòng)態(tài)特性。PID控制器參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，應(yīng)按照被控進(jìn)程的特性肯定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)刻和微分時(shí)刻的大小。PID控制器參數(shù)整定的方式分為兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主如果依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論計(jì)算肯定控制器參數(shù)。III于實(shí)驗(yàn)測(cè)定的進(jìn)程數(shù)學(xué)模型只能近似反映進(jìn)程動(dòng)態(tài)特，理論計(jì)算的參數(shù)整定值靠得住性不高，還必需通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方式，乂稱實(shí)驗(yàn)法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行控制器參數(shù)整定，且方式簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被普遍采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方式，主要

39、有臨界比例法、反映曲線法和衰減曲線法。三種方式都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，然后依照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方式所取得的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。本設(shè)計(jì)采用實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)不斷改變PID控制器的參數(shù)取得理想曲線,進(jìn)而肯定PID控制器的參數(shù)。4 .控制系統(tǒng)仿真階躍響應(yīng)性能在完成了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的成立和控制系統(tǒng)方案的選擇后，能夠在Simulink中對(duì)控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證方案的可行性和和加深對(duì)于PID參數(shù)調(diào)整的定性熟悉。以三容水箱作為被控對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型為三個(gè)單容水箱的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)在上一章已成立?？紤]到后兩級(jí)水箱的輸入是上級(jí)水箱的液位輸出，與前面已成立的

40、模型相差一個(gè)增益，在下面的仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)該增益為1。另外可增加一個(gè)切換開關(guān)(ManualSwitch),通過(guò)手動(dòng)切換開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對(duì)控制性能的影響，比較串級(jí)控制和非串級(jí)控制對(duì)雙容水箱液位的控制能力。圖SIMULINK仿真框圖加入副回路的仿真在時(shí)刻為0時(shí)對(duì)系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)及二6,T尸，=120;仿真結(jié)束時(shí)刻設(shè)置為500s,仿真取得的波形圖如下:圖MATLAB加入副回路仿真曲線圖去除副回路的仿真將切換開關(guān)置于上，去掉副回路，系統(tǒng)成為單回路控制系統(tǒng)，從頭運(yùn)行仿真，取得仿真圖入下圖所示：圖MATLAB不加入副回路仿真曲線由和兩圖對(duì)比可見

41、，引入副回路組成三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)后動(dòng)態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了專門大的改善，使不穩(wěn)固的三階系統(tǒng)變得穩(wěn)固，對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。加入擾動(dòng)維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線.通過(guò)慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。圖SIMULINK加入擾動(dòng)仿真框圖圖MATLAB加入副回路擾動(dòng)仿真曲線圖MATLAB不加入副回路擾動(dòng)仿真曲線由圖和圖對(duì)比可見，引入副回路組成三容水箱液位吊級(jí)控制系統(tǒng)后能夠?qū)ｉT好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響.在克服二次擾動(dòng)方面串級(jí)控制比不加副回路的非串級(jí)控制好。綜上所述,選擇串級(jí)PID控制的設(shè)計(jì)方案

42、完成對(duì)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(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面與非串級(jí)控制系統(tǒng)是較為有效的。可是仿真曲線只是在運(yùn)算機(jī)上通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)仿真取得的較理想的模擬曲線.實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)必需綜合考慮各方面的因素，不可能取得與運(yùn)算機(jī)仿真一致的理想曲線和控制性能。5 .進(jìn)程儀表控制與運(yùn)算機(jī)控制在現(xiàn)實(shí)生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，液位控制主要有進(jìn)程儀表控制和運(yùn)算機(jī)控制兩種方案，由于條件有限，無(wú)法對(duì)著兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，因此參考其他資料對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹和比較，作初步的了解。儀表控制系統(tǒng)概述20世紀(jì)50年代前后，一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。這是進(jìn)程控制進(jìn)展的一個(gè)重要階段。到了六十年

43、代以來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷進(jìn)展，對(duì)進(jìn)程控制提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速進(jìn)展，也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件，氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表應(yīng)運(yùn)而生。大規(guī)模集成電路制造成功與微處置器的接踵問(wèn)世，使得自動(dòng)化技術(shù)工具方面有了新的進(jìn)展，諸如以微處置器為核心的智能單元組合儀表（包括可編程調(diào)節(jié)器和DDZtu系列智能儀表）的開發(fā)和普遍應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的儀表控制系統(tǒng)方案中所利用的調(diào)節(jié)器就是一種智能單元組合儀表。儀表進(jìn)程控制系統(tǒng)是利用智能儀表與一次儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥等動(dòng)作裝置組建的控制系統(tǒng)，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，其控制方式能夠是直接手動(dòng)調(diào)節(jié)給定輸出值，也可是儀表可按其預(yù)設(shè)工作方式自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)進(jìn)行控制

44、。進(jìn)程儀表介紹檢測(cè)部份在進(jìn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，測(cè)量和變送是信息獲取和傳送的重要環(huán)節(jié)，在工程上為了提高控制精度，被控參數(shù)的測(cè)量和變送必需迅速正確地反映其實(shí)際轉(zhuǎn)變情形，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。三容水箱液位系統(tǒng)檢測(cè)裝置采用壓力傳感器、液位變送器對(duì)下水箱液位進(jìn)行檢測(cè)、變送。本系統(tǒng)利用的BP-800型壓力傳感器普遍應(yīng)用與石油、化工、冶金、建材等企事業(yè)單位，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體壓力的測(cè)量，并適用于各類場(chǎng)合全天候環(huán)境及各類侵蝕性液體。工作原理：進(jìn)程壓力通過(guò)壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后，再經(jīng)V/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線形對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)量范圍：-

45、lOOKPa-lOOMpa準(zhǔn)確度：電源電壓：24VDC二線、三線；220VAC四線過(guò)載極限：額定量程的倍BP900系列液位變送器普遍應(yīng)用于石油、海洋、化工等企事業(yè)單位。它準(zhǔn)確度高、穩(wěn)固。安裝、利用簡(jiǎn)便。工作原理：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時(shí)，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線形對(duì)應(yīng)關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。T要技術(shù)指標(biāo)：量程：0-500M準(zhǔn)確度：%FS%FS%FS輸出信號(hào)：兩線制4-20Ma電源電壓：24VDC220VAC執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥）兩部份

46、組成.它是進(jìn)程控制中的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié).在一個(gè)控制系統(tǒng)中，它同意調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，并轉(zhuǎn)換趁直線位移或角位移來(lái)改變閥芯與閥座間的流通截面積以控制流入或流出被控進(jìn)程的流體介質(zhì)的流量,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)程參數(shù)的控制.QSVP系列智能電動(dòng)單坐調(diào)節(jié)閥是一種高性能的調(diào)節(jié)閥，普遍用于電力，冶金,石油,化工,醫(yī)藥,鍋爐,輕工等行業(yè)的自動(dòng)控制中.電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同意0-10mA/4-20mA/0-5V/l-5V等控制信號(hào)，改變閥的開度,同時(shí)將閥門的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力，溫度,流量,液位等參數(shù)的調(diào)節(jié).主要技術(shù)參數(shù)：輸入信號(hào):0T0mA/4-20mADC/0-5VDC/l-5VDC輸出信號(hào)；4-20Mad

47、c電源：220V/50Hz流量特性:線形，等百分比，快開可調(diào)范圍:50:1控制器本控制系統(tǒng)采用上海萬(wàn)訊公司的AI系列調(diào)節(jié)儀表，主要特點(diǎn)有：（1）全世界通用的85-246VAC范圍開關(guān)電源或24VDC電源供電。（2）輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常常利用熱電偶和熱電阻非線形校正表格，測(cè)量精準(zhǔn)穩(wěn)固。（3）采用先進(jìn)的AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無(wú)超調(diào)，具有自整定（AT）功能。（4）采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)，提供豐碩的輸出規(guī)格，能知足各類應(yīng)用處合的需要。下面就是儀表控制系統(tǒng)的在穩(wěn)固后突加階躍的過(guò)渡進(jìn)程曲線。圖儀表控制系統(tǒng)突加階躍信號(hào)過(guò)渡進(jìn)程曲線穩(wěn)態(tài)值為5cm,階躍量為1cm.調(diào)節(jié)器1的參數(shù):P=70;I=60;D=

48、20調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=20;I=0;D=0調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=10;1=0;D=0突加階躍信號(hào)后超調(diào)15%,調(diào)整時(shí)刻6分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差0。運(yùn)算機(jī)進(jìn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)概述遠(yuǎn)程運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中所采用的進(jìn)程實(shí)驗(yàn)裝置的擴(kuò)展上位控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)通過(guò)ICP7000系列智能收集模塊將傳感器檢測(cè)到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送入運(yùn)算機(jī)，運(yùn)算機(jī)同時(shí)控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器、可控調(diào)壓器）。該上位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際上屬于運(yùn)算機(jī)DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)，只不過(guò)是將模擬量輸入AI模塊和模擬量輸出A0模塊，開關(guān)量輸入/輸出DI,D0模塊置于運(yùn)算機(jī)之

49、外，運(yùn)算機(jī)由RS232/485通信轉(zhuǎn)換裝置同ICP-7000系列模塊（自帶RS485通信接口）通信。MCGS組態(tài)軟件概述在儀器儀表系統(tǒng)中，組態(tài)軟件就被提及與利用，但那時(shí)更多的是作為一種輔助性的角色，即作為一個(gè)對(duì)于儀器儀表系統(tǒng)監(jiān)視的平臺(tái)。而在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中。組態(tài)軟件起到了舉足輕重的作用。在這次設(shè)計(jì)中所利用的組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)出品的MCGS組態(tài)軟件，這是一款優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)全中文工控組態(tài)軟件，當(dāng)前版本為。MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于MicrosoftWindow

50、s95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。MCGS為用戶提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處置、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出和企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。利用MCGS,用戶不必具有運(yùn)算機(jī)編程的知識(shí)，就可以夠在短時(shí)刻內(nèi)輕而易舉地完成一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)固，功能全面，保護(hù)量小而且具有專業(yè)水準(zhǔn)的運(yùn)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。MCGS具有操作簡(jiǎn)便、可視性好、可保護(hù)性強(qiáng)、高性能、高靠得住性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處置、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，通過(guò)各類現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)

51、穩(wěn)固靠得住。MCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品相較，MCGS組態(tài)軟件具有以下特點(diǎn)：全中文、可視化、面向窗口的組態(tài)開發(fā)界面，符合中國(guó)人的利用適應(yīng)和要求，真正的32位程序，可運(yùn)行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多種操作系統(tǒng)。龐大的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫(kù)、完備的畫圖工具和豐碩的多媒體支持，使您能夠快速地開發(fā)出集圖像、聲音、動(dòng)畫等于一體的漂亮、生動(dòng)的工程畫面。全新的ActiveX動(dòng)畫構(gòu)件，包括存盤數(shù)據(jù)處置、條件曲線、計(jì)劃曲線、相對(duì)曲線、通用棒圖等，使您能夠更方便、更靈活地處置、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。支持目前絕大多數(shù)硬件設(shè)備，同時(shí)能夠方便地定制各類設(shè)備驅(qū)動(dòng)；另外，獨(dú)特的組態(tài)環(huán)境調(diào)試功

52、能與靈活的設(shè)備操作命令相結(jié)合，使硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)間的配合完美無(wú)缺。簡(jiǎn)單易學(xué)的類Basic腳本語(yǔ)言與豐碩的MCGS策略構(gòu)件，使您能夠輕而易舉地開發(fā)出復(fù)雜的流程控制系統(tǒng)。壯大的數(shù)據(jù)處置功能，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各類方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處置，使您能夠在第一時(shí)刻取得有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)情形的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。方便的報(bào)警設(shè)置、豐碩的報(bào)警類型、報(bào)警存貯與應(yīng)答、實(shí)時(shí)打印報(bào)警報(bào)表和靈活的報(bào)警處置函數(shù)，使您能夠方便、及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到任何報(bào)警信息。完善的安全機(jī)制，允許用戶自由設(shè)定菜單、按鈕及退出系統(tǒng)的操作權(quán)限。另外，MCGS還提供了工程密碼、鎖定軟件狗、工程運(yùn)行期限等功能，以保護(hù)組態(tài)開發(fā)者的功效。壯大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持TCP/IP

53、、Modem、485/422/232,和各類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電臺(tái)等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。良好的可擴(kuò)充性，可通過(guò)OPC、DDE、ODBC、ActiveX等機(jī)制，方便地?cái)U(kuò)展MCGS組態(tài)軟件的功能，并與其他組態(tài)軟件、MIS系統(tǒng)或自行開發(fā)的軟件進(jìn)行連接。提供了WWW閱讀功能，能夠方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制與企業(yè)管理的集成。在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)，只利用IE閱讀器就可以夠在任意一臺(tái)運(yùn)算機(jī)上方便地閱讀與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致的動(dòng)畫畫面，實(shí)時(shí)和歷史的生產(chǎn)信息，包括歷史趨勢(shì)，生產(chǎn)報(bào)表等等，并提供完善的用戶權(quán)限控制下面就是遠(yuǎn)程運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)的在穩(wěn)固后突加階躍的過(guò)渡進(jìn)程曲線。圖遠(yuǎn)程運(yùn)算機(jī)系統(tǒng)突加階躍過(guò)渡進(jìn)程曲線PID參數(shù)：調(diào)節(jié)器1的參數(shù):

54、P=70;I=60;D=25調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=30;I=0;D=0調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=20;1=0;D=0調(diào)節(jié)器1的設(shè)定值為7cm,突加階躍后設(shè)定值到8c叫現(xiàn)在超調(diào)量為25%,調(diào)整時(shí)刻為8分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差0。運(yùn)算機(jī)控制與進(jìn)程儀表控制比較通過(guò)比較運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)與進(jìn)程儀表控制系統(tǒng)在在階躍響應(yīng)下的曲線和階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，能夠看出運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)在階躍量相同的情形下，它的超調(diào)量大于儀表控制，說(shuō)明儀表控制系統(tǒng)的性能優(yōu)于運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)，這主如果因?yàn)閮x表控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定的要比運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)的好。所以說(shuō)，控制器是進(jìn)程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，控制規(guī)律的肯定和控制器參數(shù)的整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。

55、運(yùn)算機(jī)控制相對(duì)與儀表控制，其主要特點(diǎn)是：1）儀表控制系統(tǒng)中均利用模擬部件，而運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)除檢測(cè)、變送裝置,執(zhí)行機(jī)構(gòu)等常常利用的模擬部件之外，其執(zhí)行控制功能核心部件是數(shù)字運(yùn)算機(jī)，運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)是模擬與數(shù)字部件的混合系統(tǒng)。2）儀表控制系統(tǒng)，控制規(guī)律由硬件實(shí)現(xiàn)，要修改控制規(guī)律，必需要改變硬件結(jié)構(gòu)，如AI智能調(diào)節(jié)儀。在運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律是由軟件實(shí)現(xiàn)的，如MCGS組態(tài)軟件。3）在儀表控制系統(tǒng)中，一般是一個(gè)控制器控制一個(gè)回路，而在運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于運(yùn)算機(jī)具有高速運(yùn)算的能力，一個(gè)控制器（控制運(yùn)算機(jī)）常常采用分時(shí)控制的方式同時(shí)控制多個(gè)回路。運(yùn)算機(jī)控制系統(tǒng)除擁有進(jìn)程儀表控制的一般特點(diǎn)外，不需要人在

56、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),改善了勞動(dòng)條件，不用人工手動(dòng)操作，消除人為因素：易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析；采用表格、圖形、曲線顯示直觀，并有輸出打印功能。6結(jié)論液位是工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中重要的被控量之一，因此液位控制的研究具有專門大的現(xiàn)實(shí)意義。水箱的液位控制對(duì)石油、冶金、化工等行業(yè)來(lái)講必不可少。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，結(jié)合所學(xué)的知識(shí)和參考的資料，著重研究了三容水箱串級(jí)控制建模方式，用級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和MATLAB仿真，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的控制。最后簡(jiǎn)單介紹和比較了生產(chǎn)實(shí)踐中液位控制利用的儀表進(jìn)程控制方式和運(yùn)算機(jī)進(jìn)程控制方式。水箱數(shù)學(xué)模型的成立是設(shè)計(jì)的開始和關(guān)鍵，通過(guò)收集的數(shù)據(jù)在MATLAB上通過(guò)數(shù)據(jù)擬合取得各水箱階躍曲線，然后通過(guò)曲線可取得各水箱的