三容水箱液位控制系统动态仿真与多变量过程的在线监测.docx

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三容水箱液位控制系统动态仿真与多变量过程的在线监测

山东大学

硕士学位论文

三容水箱液位控制系统动态仿真与多变量过程的在线监测

姓名：

王晓鹏

申请学位级别：

硕士

专业：

控制理论与控制工程

指导教师：

钟麦英

20050515

摘要

随着生产水平和科学技术的不断发展，现代控制系统的规模日趋大型化、复

杂化，对设备和被控系统安全性、可靠性和有效性的要求也越来越高。

为了确保工业生产过程高效、安全的进行，保证并提高产品的质量，对生产过程进行在线监测，及时准确地把握生产运行状况，已成为目前过程控制领域的一个研究热点。

三容水箱液位控制系统试验装置是模拟工业生产过程中对液位、流量参数进

行测量、控制、观察其变化特性，研究过程控制规律的科研产品，具有过程控制中动态过程的一般特点一大惯性，大时延、非线性，难以对其进行精确控制，从而使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。

因此，三容水箱液位控制系统在耦合非线性系统的监控和故障诊断算法的研究中得到了广泛的关注。

本文以三容水箱液位控制系统为对象，应用ＭＡＴＬＡＢ对其动态运行过程进行了仿真，基于控制软件平台实现了多变量过程的在线监测。

本课题首先深入分析了三容水箱液位控制系统工艺流程及其运行过程的静、

动态特性。

应用ＭＡＴＬＡＢ对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真，研究了系统的运行特性，基于测量得到的液位值，实现了对比例阀开度的控制，分析了各水箱连接导管内液体流量的变化规律。

并通过编写基于ＭＡＴＬＡＢ的Ｓ函数，运用动画仿真技术对三容水箱系统的运行过程进行了更为直观、逼真的模拟。

在ＭＡＴＬＡＢ仿真环境下设计Ｍ文件，实现了友好的用户界面，使得在系统仿真过程中能够方便、准确的对相关参数进行设置、显示和跟踪。

另外，本文以三容水箱液位控制系统为例，对基于观测器的故障诊断理论进

行了仿真研究。

首先，对三容水箱系统的非线性数学模型进行线性化处理，并在此基础上设计了基于观测器的故障诊断滤波器。

然后，对三容水箱液位控制系统可能出现的传感器故障进行了仿真研究。

实验结果表明，故障诊断滤波器对发生在不同传感器上的故障进行了有效的检测。

最后，本文基于Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋６．０环境进行了三容水箱液位控制系统软件平台的

设计与开发。

该软件平台不但提供了人机接口与积分分离ＰＩＤ控制算法程序，而且还具有实时数据采集、实时数据运行曲线显示、实时数据的保存、历史数据的查阅和控制参数的设定等多种功能，同时也实现了多变量过程的在线监测。

关键词：

三容水箱液位控制系统，仿真，建模，故障诊断，在线监测

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｌｅｖｅｌａｎｄｓｃｉｅｎｃｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅ

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Ｋｅｙｗｏｒｄ：

ｔｈｒｅｅ—ｔａｎｋｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｆａｕｌｔ

ｄｉａｇｎｏｓｉｓ，ｏｎ－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇＭ

附件一：

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：

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关于学位论文使用授权的声明

本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）

论文作者签名：

｛煎导师签名：

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山东人学硕ｔ学位论文

第一章概论

１．１概述

随者现代工业自动化技术水平的不断提高，工业生产过程正在向大型化和精细化的方向发展。

系统的可靠性与安全性已成为保障经济效益和社会效益的一个关键冈素，又由于其生产过程具有机理复杂，内在规律非线性强等特性，使得过程监控成为富有挑战性的课题。

实施过程监控，不仅可以在事故发生前尽早判别工况异常，找出故障原因并提出对策，提高生产过程的安全性。

同时能够提高产品质量并保证产品质量一致性，从而产生巨大的社会效益和经济效益。

图１．Ｉ三容水箱液位控制系统

三容水箱液位控制系统¨１一直足自动控制、化工过程等领域中非常典型的教学实验设备（如图１．Ｉ所示），它除了可以用于教学实验外，还可以用于耦合非线性系统的监控和故障诊断算法的研究，因此三容水箱控制系统受到了众多专家学者的关注，应用此系统来对过程监测及故障诊断理论的研究。

因而，在目前尚不具备在实验室中重现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的且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快速转换为实际应用技术的捷径。

因此，对于三容水箱液位控制系统的动态仿真与多变量过程在线监测的研究是一

件极具实际意义的工作。

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１．２选题背景及意义

系统仿真（ＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）技术和过程监控（ＰｒｏｃｅｓｓＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）技术都足伴随１二业化进程而兴起的新兴学科。

在现代工业技术领域中发挥着极其重要的作用。

１．系统仿真

系统仿真技术比３是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态试验研究的－１＂Ｉ多学科的综合性技术。

仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识，是学科交叉发展的结果。

仿真Ｄ１就足采用模型来再现真实情况，足加速产品开发周期并在最终系统中提高产品质量的重要手段。

模型是系统、过程或现象的物理的或其他逻辑的表达。

仿真系统包含了一个或多个动态系统的数学模型。

以及这些系统与其相关环境间相互作用的数学模型。

运行中，仿真系统沿时间向前运行，并对所有模型在同一时间点上求解。

描述复杂系统行为的方程可能比较复杂，因此仿真系统中使用的方法是以可接受的精度对这些方程进行求解的唯一途径。

系统仿真就是模拟整个系统在真实的仿真环境中运行时的行为。

仿真以显著地提高产品质量和可靠性、缩短研制周期、降低成本以及可以提前预测结果而著称，并能在复杂动态系统的开发设计中可以发挥如下的作用：

・探究设计方案的选择。

●优化设计参数。

●作为系统在真实环境下进行全面测试的工具。

●其他应用，如故障分析等。

近二十年来，随着系统科学研究的深入，控制理论、计算机技术、信息处理技术的发展，计算机软件、硬件技术的突破，以及各个领域对仿真技术的迫切需求，使得系统仿真技术有了许多突破性的进展，在理论研究、工程应用、仿真工程和工具开发环境等诸多方面都取得了令人瞩目的成就，形成－ｆ］独立发展的综合性学科。

对那些复杂动态系统的研究，通常用描述其动态行为的微分方程（描

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述连续时间系统）或差分方程（描述离散时间系统）建模仿真的方法，即在计算机上构建系统的动态仿真模型，然后对这个模型进行试验。

计算机技术的发展对这些模型的建立和试验起了极大的推动作用。

用计算机求解反映实际系统的数学模型的过程，以达到研究，开发、使用和检测实际系统的目的，即为计算机仿真（ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ）。

仿真技术反过来又对实际系统的研究起到了强有力的推动，大大减少了人力物力的消耗，保证了研发的可持续性。

对象仿真可以在计算机上进行反复多次试验，既可以取代耗资巨大的真实物体对象的物理模拟和实验，甚至可以进行受各种因素的限制而无法实现的实验，具有投资少、效益高、无风险、可重复、周期短等突出特点而被迅速渗透到国民经济很多技术领域，在航空、航天，电力、船舶、核工业、农业、医疗、经济、军事等诸多领域均有广泛应用，并在各个领域取得了很大发展。

２．过程监控

过程监控Ｈ１是检测、分析和诊断动态系统运行过程中发生的各种异常变化的一门新兴学科。

过程监控的目标巧３是通过识别不正常行为来确保过程成功地按计划运行。

这些信息不仅保持系统操作员和维护人员不断了解过程的运行状态，而且还帮助这些人员做出适当的补救措施，以消除运行过程中出现的不正常行为。

其结果是，正确的过程监控使停车时间最小化，设备运行的安全性得以改进，生产成本得以减少。

与过去传统工业控制设备相比，现代工业控制设备发生了巨大的变化，分布式控制系统（ＤＣＳ），可编程序控制器（ＰＬＣ）、工业控制计算机、智能调节器等逐步取代了传统的模拟式控制仪表，在控制领域大显身手。

这些控制系统成功之处不仅在于其灵活的配置。

模块化、开放式的结构，强大的运算肇力和通信功能，极高的可靠性，更在于其开发手段十分完善，维护也很方便。

在这方面，过程监控软件起了重要的作用，它以图形化，仪表化的屏幕界面使得操作简单又直观，易于为操作员接受嘶１。

监控系统是用于对过程系统的运行工况进行监视与控制。

监控系统完成设备运行信号的接收、处理、变换、存储、记录、显示、查询、远程传送以及发送控制指令等功能。

计算机监控系统正逐步取代以往笨重的硬件监视仪表和记录设备而成为实现工业设备及其系统操作必不可少的一部分。

随着自动化技术水平的不断进步，对工业生产过程的自动化水平的要求也越来越高，也３

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要求其监控系统逐步完善。

开发监控软件平台的目的是为了使操作人员不用具备较高的特殊专业知识技能就能够快速而全面地掌握系统运行状况，并能够对系统运行过程中出现的故障进行相应的操作。

利用一些有效的算法Ｈ１．可以实时动态地显示实时过程控制系统中工艺设备的工作状态，改善监控系统的人机界面，提高监控效率。

１．３当前的研究动态

三容水箱液位控制系统作为自动控制、化工过程等领域中非常典型的教学实验设备，它不仅可以作为液位过程控制的实验设备来供学生做试验，而且也应用于非线性控制和故障诊断的研究项目中，因此在国内外都得到了广泛的关注。

文献［８３中￥８ｃｏ尼等人以控制教育的目的详细的介绍了三容水箱液位控制系统的构成、仿真建模和实时仿真：

在德国杜伊斯堡大学（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｕｉｓｂｕｒｇ）测量与控制系的研究者使用“ＤＴＳ２００”模型成功地测试了非线性解耦的方法和基于模型的故障诊断方法“】。

文献［９］中ＮｏｕｒａＨａｓｓａｒｒ等用三容水箱液位控制系统作为实验模型对执行器容错控制的设计进行了研究；文献［ｉｏ］用源于离散时间李雅普诺夫（Ｌｙａｐｕｎｏｖ）理论的控制技术与对实时故障估计有自寻优和在线自适应能力的现代智能技术相结合的方法对基于多模型的在线故障诊断与定位进行了研究，并给出了在三容水箱液位控制系统上进行仿真的试验结果。

文献［ｉｉ］中ＴｓｕｄａＫ．等人利用三容水箱液位控制系统作为试验对象提出了解决线性混杂系统重组问题的几种算法；文献［１Ｚ］为四个相似非线性滤波器推导了敏感模型，利用这些敏感模型得出一种广义自适应滤波算法（ＧｅｎｅｒａｌＡｄａｐｔｉｖｅＦｉｌｔｅｒｉｎｇＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）。

并在三容水箱液位控制系统上进行了验证。

文献［１３］通过三容水箱液位控制系统的例子，说明了在一个分布式智能控制系统内多个智能子系统之间进行动态协调的机制和大致过程。

文献［１４］提出了一种推广的基于模型的预测控制（ＥｘｔｅｎｄｅｄＭＰｃ）方案，用以龙伯格一马夸特（Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－ｌＩｔａｒｑｕａｒｄｔ）算法离线训练非线性状态空间神经元网络为基础的模型，在三容水箱液位控制系统上验证了方案的正确性。

文献［１５］利用ＺＩＲ（ＺｅｒｏＩｎｐｕｔＲｅｓｐｏｎｓｅ）和ＺＳＲ（ＺｅｒｏＳｔａｔｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）综合控制信号，构建基于非线性受控对象物理模型～三容水箱液位控制系统的仿真器，并利用其获得理想的４

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控制特性。

文献［１６］将多变量投影方法和径向基神经网络良好的逼近能力结合起来，提出了一种基丁．嵌入径向基网络的非线性主成分回归算法的过程监测及故障诊断方法。

在三容水箱液位控制实验装置上进行的实验结果说明该方法确实能够有效地实现过程监测、快速地检测并诊断出故障状态。

文献［１７］提出了～种使用基丁．软分割（ｓｏｆｔ－ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）算法的多ＰＣＡ模型的监控策略，也介绍为监控连续过程而使用的多ＰＣＡ模型框架，并将它们应用于被控对象三容水箱液位控制系统从而验证了其方法的有效性。

文献［ｉｓ］建立了一套基于带有计算和网络功能的快速变送节点的分布式测控系统，对三容水箱液位控制系统进行分布式监控和诊断。

文献［１９］以三容水箱液位控制系统为研究对象提出了一种用于非线性系统控制的模糊ＰＩ监控器的设计方法。

文献［２０］给出了一种新的在无硬件冗余非线性系统中对于主要执行器故障的容错控制方法，这种方法的有效性通过对非线性实验装置三容水箱液位控制系统的应用得到了证实。

文献［２１］、［２２］、［２３］论证神经网络为模式识别与系统建模和辨识提供了一种有效的工具，它使得设计检测三容水箱液位控制系统各部分初始故障的故障诊断子系统表现出更好的性能。

文献［２４］研究了非线性过程和基于模型的故障检测与分离的辨识，文献中提及的方法的适用性在三容水箱液位控制实验设备上得到了证实。

文献［２５］将有限时域控制（Ｒｅｃｅｄｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎｃｏｎｔｒ０１）思想推广到状态估计和故障检测问题，并在三容水箱液位控制系统上验证了这种新方法的有效性。

文献［２６］介绍了在基于相似性的系统重组中改进的模糊推理，并将其应用于三容水箱液位控制系统中的两水箱的故障诊断及重组中。

文献［２７］给出了非线性动态系统中对参数故障的鲁棒故障诊断方案，方案的有效性通过在三容水箱液位控制系统上进行仿真得以证实。

文献［２８］在强跟踪滤波器（ｓｔｒｏｎｇｔｒａｃｋｉｎｇｆｉｌｔｅｒ，ＳＴＦ）的基础上，提出了一种对非线性过程的传感器自适应容错广义模型控制方法，三容水箱液位控制系统上的实验结果表明了这种方法的有效性。

文献［２９］针对多变量不确定系统中基于模型的离线故障诊断问题给出了一种新方法，并给出了从三容水箱液位控制系统获得的真实数据的试验结果，证实了方法的可靠性。

文献［３０］针对带有任意有限阶次的多项式非线性特性的连续非线性系统提出了一种鲁棒故障检测观测器（ｒｏｂｕｓｔｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＲＦＤＯ），观测器误差和残差对未知输入是鲁棒的，这个理论被应用到三容水箱液位控制系统上从而得

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到了证明。

文献［３１］在三容水箱液位控制系统上考虑模型的复杂性针对故障检测和分离研究了不同的建模策略。

文献［３２］将基于观测器的故障检测与分离方案应用丁．三容水箱液位控制实验系统上，给出了一些应用结果，并说明了方案的优点。

文献［３３］应用三容水箱液位控制系统研究了在非线性动态过程中用多模型手段提出了一种检测和分离故障的新的方法。

上述文献都是以三容水箱液位控制系统为研究对象，对故障的检测与诊断以及分离和建模及监控策略进行了研究，并提出了很多行之有效的算法，为三容水箱液位控制系统的仿真及监控平台的开发提供了坚实的理论依据。

１．４本系统特点、设计要求和任务

三容水箱液位控制系统具有过程控制系统（ＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ，简称ＰＣＳ）的典型特性。

所谓过程控制系统是模拟现代工业生产过程或对连续性工业生产过程中的物理量，诸如温度、压力、流量、液位等参数，对其进行测量、控制、观察过程参数变化特性，研究过程控制规律的一类系统。

与其他控制系统相比，过程控制具有以下几个特点：

１、过程检测控制仪器是过程控制系统的重要组成部分

一个简单的过程控制系统（例如液位控制系统）由被控过程和过程检测控制仪表（包括压力传感器和调节阀）两部分组成。

同时为了方便系统设计并取得预期控制效果，可选用系列化生产的过程控制仪表，组成过程控制系统。

再通过对控制器参数进行整定，使系统处于运行的最佳状态，实现对过程最佳控制。

２、被控过程多种多样

在过程控制中，动态过程一般具有大惯量、大时延的特点，而且常伴有非线性的特征。

并且大部分过程的工作机理复杂，至今尚未被人们所完全认识，因此很难用解析的方法得出精确的动态数学模型。

要设计能适用于各种过程的通用控制系统是比较困难的。

３、控制方案十分丰富

由于被控过程的多样性，控制方案也有多种。

通常有单变量控制，也有多变量控制；有常规仪表控制，也有计算机控制；有常规的ＰＩＤ控制，也有新型的自适应、预测控制、推理控制、模糊控制等方案．６

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４、过程控制多属慢过程参数控制

由于被控过程大多具有大惯量、大时延等特点，因而决定了控制过程足一个馒过程。

另外，在一些生产中，常用～些物理量来表征生产过程是否正常。

这些物理量多半足温度、压力、流量、液位等，对它们控制多半属于参量控制。

５、定值控制足过程控制的一种主要形式

在目前的多数过程控制系统中，给定值足恒定的或保持在很小范围内变化的。

控制的主要目的在于如何减小或消除外界扰动对被控制量的影响，使生产稳定。

因此定值控制足一种主要形式．

一般生产中对过程控制的要求是多方面的，最终可归为三项，即安全性、经济性和稳定性。

安全性是指在整个过程生产中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求：

经济性是指生产同样数量和质量的产品所消耗的能量和原材料最少，即要生产成本低而效率高；稳定性是指具有抑制外部干扰，保证生产过程长期稳定运行的能力。

过程控制的任务就是在了解掌握