液位PID控制系统设计Word文档下载推荐.docx

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液位PID控制系统设计

二、指导思想和目的要求

通过毕业设计，使学生对所学自动控制原理、现代控制原理、控制系统仿真、电子技术等的基本理论和基本知识加深理解和应用；

培养学生设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本事件能力以及外文资料的阅读和翻译技能；

掌握液位PID控制系统设计的方法和步骤，培养创新意识，增强动手能力，为今后的工作打下一定的理论和实践基础。

要求认真复习有关基础理论和技术知识，认真对待每一个设计环节，全身心投入，认真查阅资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性和控制要求，按计划完成毕业设计各阶段的任务，重视理论联系实际，写好毕业论文。

二、主要技术指标

设计系统满足以下要求：

调节时间：

超调量：

四、进度和要求

1、搜集中、英文资料，完成相关英文文献的翻译工作，明确本课题的国内外研究现状及研究意义；

（第1、2周）

2、完成总体设计方案的论证并撰写开题报告；

（第3、4周）

3、理论推导被控对象的数学模型；

（第5、6周）

4、分析未校正单容、双容水箱液位控制系统的性能；

（第7、8周）

5、选用PID控制方案设计满足性能指标要求的控制系统；

（第9、10周）

6、应用Matlab对设计方案进行仿真验证；

（第11周）

7、整理资料撰写毕业论文；

（1）初稿；

（第12、13周）

（2）二稿；

（第14周）

8、准备答辩和答辩。

（第15周）

五、主要参考书及参考资料

[1]周胜凯，李颖，水箱液位控制系统设计[M]，2012、06

[2]陈帆、王勇，PID控制单容水箱液位及其相关阶跃响应曲线[M],2013、6

[3]卢京朝，自动控制原理》,西北工业大学出版社，2009

[4]涂植英，过程控制系统》,北京：

机械工业出版社，1983

[5]胡寿松，《自动控制原理》，科学2008，6出版社，2008，6

[6]薛定宇，陈阳泉，《系统仿真技术与应用》，清华大学出版社，2004.4

[7]王正林，《MATLAB/Simulink与控制系统仿真》，电子工业出版社，2009.7

[8]徐兵，《过程控制》，机械工业出版社，2004.9

[9]张显库，贾欣乐．基于闭环增益成型的鲁棒PID算法及在液位控制中的应用．中国造船[J]．V01．41第三期（总第150期），2000

[10]薛毅，数学建模基础，北京：

工业大学出版社，2004

学生指导教师系主任

摘要

随着现代科技的发展电子信息时代的进步。

国家工业的迅速发展，液位控制系统被广泛运用到石油、化工等各个行业。

液位控制系统是以液位为控制参数的控制系统。

有很多地方需要对容器的介质进行控制，使之高精度地保持在给定数值，液位控制一般指对某一液位进行控制和调节，使其达到所要求的控制精度，液体的液位自动控制是近年来的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术的紧密合作的产物。

在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。

本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统.计首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。

其次，设计PID控制器，在Matlab/Simulink环境下建立双容水箱控制的仿真模型，对PID控制算法进行仿真研究，通过仿真实验，证明该设计方法可行性和该算法的正确性。

关键词:

双容水箱,实验法建模,PID控制

Abstract

Withthedevelopmentofmodernscienceandtechnologyprogressofelectronicinformationera.Therapiddevelopmentofnationalindustry,liquidlevelcontrolsystemiswidelyappliedtopetroleum,chemicalandotherindustries.Liquidlevelcontrolsystembasedonliquidlevelcontrolparametersofcontrolsystem.Therearemanyplacesneedtocontrolthecontainermedium,tokeeptheaccuracyofthegivenvalue,liquidlevelcontrolusuallyreferstoacertainleveltocontrolandadjust,makeitreachtherequiredcontrolprecision,liquidlevelautomaticcontrolisanewtechnologyinrecentyears,itisaminiaturecomputersoftware,hardware,severaltechnologiessuchasautomaticcontroloftheproductofclosecooperation.Intheprocessofindustrialandagriculturalproduction,oftenneedtomeasureandcontrolofwaterlevel.

Thepurposeofthispaperistodesignthedoubleletwatertankliquidlevelcascadecontrolsystem.Planthefirstanalysisofthemodelofthecontrolledobject,andUSEStheexperimentalmodelingmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Secondly,PIDcontrollerisdesigned,undertheenvironmentofMatlab/Simulinktoestablishdoubleletwatertankcontrolsimulationmodel,simulationresultsofPIDcontrolalgorithm,throughsimulationexperiment,provesthatthedesignmethodisfeasibilityandcorrectnessofthealgorithmiscorrect.

Keywords:

doubleletwatertank,theexperimentmethodofmodeling,PIDcontrol

第一章绪论

1.1课题提出背景

随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。

而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。

每一个先进、实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。

然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。

在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。

最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。

其原因固然是多方面的。

但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。

在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。

在过程工业中，被控量通常有以下四种：

液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，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，可灵活地进行过程组态，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，很多重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。

双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。

同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。

而且，双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。

同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。

1.2国内外研究现状

随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！

不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。

将PID算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、安全、节约的使用水资源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！

1.2.1国外研究现状

德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了Amira公司研制的双容水箱过程控制实验装置。

但是，由于德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。

也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。

液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。

在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。

液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：

（1）对象存在滞后

热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。

因此，当流入（流出）对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。

（2）对象特性的非线性

对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。

大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。

（3）控制系统较复杂

从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。

过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。

也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。

任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。

1.2.2国内研究现状

国内也有一些厂