双容水箱液位串级控制系统的设计1.docx

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双容水箱液位串级控制系统的设计1

控制系统仿真

课程大作业

题目：

双容水箱液位串级控制系统的设计

院系名称：

电气工程学院专业班级：

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摘要

本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。

在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。

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，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用MATLAB仿真技术对控制系统的性能进行分析。

然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。

最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。

关键词：

液位；模型；PID控制；MATLAB仿真；计算机过程控制系统

目录

摘要2

1概述4

1.1过程控制介绍4

1.2液位串级控制系统介绍4

1.3MATLAB软件介绍4

1.4MCGS组态软件介绍5

2被控对象建模5

2.1水箱模型分析5

2.2阶跃响应曲线法建立模型6

3系统控制方案设计与仿真10

3.1PID控制原理10

3.2系统控制方案设计11

3.2控制系统仿真12

4建立仪表和计算机过程控制系统16

结论17

参考文献18

1概述

1.1过程控制介绍

过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象﹑检测与执行装置外）。

1．过程计算机系统的硬件部分：

（1）由中央处理器﹑时钟电路﹑内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分。

（2）包括各种控制开关﹑数字键﹑功能键﹑指示灯﹑声讯器和数字显示器等的

（3）通用外围设备包括打印机﹑记录仪﹑图形显示器﹑闪存等，它们用来显示﹑存储﹑打印﹑记录各种数据。

（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。

2．过程计算机系统的软件部分：

（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。

（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集﹑滤波程序﹑控制量计算程序﹑生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能﹑精度和效率。

1.2液位串级控制系统介绍

在液位串级控制系统的设计中采用传统的串级PID控制的方法，利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。

在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。

以下将对它们的主要内容进行说明。

1.3MATLAB软件介绍

MATLAB系统由五个主要部分组成：

（1）MATALB语言体系：

MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。

利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。

（2）MATLAB工作环境：

这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。

（3）图形图像系统：

这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。

（4）MATLAB数学函数库：

这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。

（5）MATLAB应用程序接口（API）：

这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序（动态链接），读写MAT文件的功能。

1.4MCGS组态软件介绍

MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。

利用MCGS软件组建工程的过程简介：

工程项目系统分析；工程立项搭建框架；设计菜单基本体系；制作动画显示画面；编写控制流程程序；完善菜单按钮功能；编写程序调试工程；连接设备驱动程序；工程完工综合测试。

2被控对象建模

在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。

上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。

上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。

上水箱尺寸为：

;下水箱尺寸为：

，每个水箱分为三个槽：

缓冲槽、工作槽、出水槽。

2.1水箱模型分析

图2.1液位被控过程简明原理图

系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。

如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。

液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。

液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。

若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡，

；

在静态时，

；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。

由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。

但为了简便起见，做线性化处理得

，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为：

注：

△Q1﹑△Q2﹑△h:

分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量；R2:

阀2的阻力；A:

水箱截面积；T:

液位过程的时间常数

；K:

液位过程的放大系数

；C:

液位过程容量系数

2.2阶跃响应曲线法建立模型

在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。

通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。

图2.2水箱模型测定原理图

1．根据阶跃响应参数（间隔30s采集数据）求取上水箱模型传递函数

在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：

>>x=0:

30:

420；

>>y=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.14

24.2524.27]；

>>p=polyfit（x,y,4）；

>>xi=0:

3:

420；

>>yi=polyval（p,xi）；

>>plot（x,y,’b:

o’xi,yi,'r'）。

在MATLAB中绘出曲线如下：

图2.3上水箱拟合曲线

注：

图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。

数据点与曲线基本拟合。

如图所示，利用四阶多项式近似拟合上水箱的响应曲线，得多项式的表达式：

根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T。

而斜率K为P（t）在t=0的导数P'（0）=0.24707,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为T。

图2.4上水箱模型计算曲线

阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值

与阶跃扰动值

之比

，所以上水箱传递函数为

2．根据阶跃响应参数（间隔30s采集数据）求取下水箱模型传递函数

在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：

>>x=0:

30:

1650；

>>y=[03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.41

46.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8]；

>>p=polyfit（x,y,4）；

>>xi=0:

3:

1650；

>>yi=polyval（p,xi）；

>>plot（x,y,’b:

o’xi,yi,'r'）。

在MATLAB中绘出曲线如下：

图2.5下水箱拟合曲线

注：

图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。

数据点与曲线基本拟合。

如图所示，利用四阶多项式近似拟合下水箱的响应曲线，得多项式的表达式：

根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T.而斜率K为P（t）在t=0的导数P`（0）=0.12175,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为T。

图2.6下水箱模型计算曲线

阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值

与阶跃扰动值

之比

，所以下水箱传递函数为

。

在实验建模的过程中，实验测取的被控对象为广义的被控对象，其动态特性包括了调节阀和测量变送器，即广义被控对象的传递函数为

为调节阀的传递函数，

为测量变送器的传递函数。

3系统控制方案设计与仿真

3.1PID控制原理

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

图3.1PID控制基本原理图

PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r（t）与实际值y（t）构成控制偏差：

。

PID控制规律为：

或以传递函数形式表示：

式中，KP:

比例系数TI:

积分时间常数TD:

微分时间常数

PID控制器参数整定运用临界比例法：

在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度δ置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度δ由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度δk和临界振荡周期Tk。

根据以下经验公式计算调节器参数：

调节器参数

控制规律

δ

TI

TD

P

2δk

PI

2.2δk

TK/1.2

PID

1.6δk

0.5Tk

0.25Tk

表3.1临界振荡整定计算公式

3.2系统控制方案设计

1．控制系统性能指标

静态偏差；衰减率：

一般衰减率在0.75-0.9；超调量；调节时间：

从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5%—+5%范围所需的时间。

2．方案设计

设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每一个回路又有自己的调节器和控制对象。

主回路中的调节器称主调节器，控制主对象。

副回路中的调节器称副调节器，控制副对象。

主调节器有自己独立的设定值R，他的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主