过程设计课程设计水箱液位控制东北大学.docx
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过程设计课程设计水箱液位控制东北大学
过程控制系统课程设计
设计题目：
水箱的液位控制系统的设计
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
设计时间：
2012年5月7日
摘要1
1概述2
1.1过程控制介绍2
1.2液位串级控制系统介绍3
1.3MATLAB软件介绍3
2课程设计的任务与要求5
2.2单容单回路控制系统设计6
2.3双容水箱液位的单回路控制系统设计6
2.4上水箱流量的串级控制系统设计6
2.5实现副回路进水流量的前馈控制7
3.实验系统熟悉及过程建模8
3.1建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型8
3.2建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型12
3.3建立双容水箱进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型16
4.实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计21
4.1系统原理21
4.2液位设定值发生阶跃变化的单容水箱的PID调节21
4.3旁路扰动时的PID调节29
4.4副回路扰动时的PID调节33
4.5思考题36
5.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计37
5.1系统原理37
4.2液位设定值发生阶跃变化的双容水箱的PID调节38
4.3旁路扰动时的PID调节43
4.4副回路扰动时的PID调节44
4.5思考题45
6、实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计47
6.1系统原理47
6.2串级系统的PID调节48
6.3旁路扰动时的PID调节50
6.4副回路扰动时的PID调节51
6.5思考题51
7.实现副回路路进水流量的前馈控制52
7.1系统原理52
7.2求解前馈系统的模型53
7.3前馈控制器参数的调试53
8.参考文献42
9.收获体会建议41
水箱的液位控制系统的设计
摘要：
本论文的目的是设计水箱液位控制系统。
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控制系统，采用matlab的simulink技术对控制系统的性能进行分析。
1概述
1.1过程控制介绍
1.1.1．工业过程控制的发展概况
自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。
过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。
初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。
其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。
之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。
同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。
现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。
1.1.2．过程计算机控制系统
现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。
不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。
因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。
由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。
在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。
在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。
当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。
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，进行数据采集﹑数据处理﹑逻辑判断﹑控制量计算﹑越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。
（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控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。
（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。
I/O通道有模拟量通道和数字量通道。
模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。
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
在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。
在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。
在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。
虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑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软件是由美国MathWorks公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。
MATLAB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于Windows2000/xp的MATLAB7.0版本。
新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。
在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。
MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。
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。
MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。
MATLAB具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB的控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB的系统辨识工具箱（SystemIdentificationToolbox）可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。
MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。
它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。
2.课程设计任务与要求
2.1实验系统熟悉及过程建模
描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。
利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。
要求：
写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（3种不同幅值的阶跃扰动）
利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。
要求：
写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（3种不同幅值的阶跃扰动）,分析一下和模型的区别。
利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。
要求：
写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（3种不同幅值的阶跃扰动）
2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计
画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。
详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。
说明该控制系统的控制依据和控制功能。
采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。
要求：
在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。
控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：
在这种情况下，不要去调整PID参数）。
打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：
在这种情况下，不要去调整PID参数）。
思考：
旁路流量的频繁，剧烈变化对控制质量有着严重的影响，有什么方法可以较好的抑制这个扰动对控制质量的影响。
副回路进水的频繁剧烈变化对控制质量的严重影响，有什么方法可以很好的抑制其对控制质量的影响。
2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计
画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。
详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。
说明该控制系统的控制依据和控制功能。
采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。
要求：
在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。
控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：
在这种情况下，不要去调整PID参数）。
打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：
在这种情况下，不要去调整PID参数）。
思考：
在这种情况下，和
（2）中单回路控制系统控制质量有什么变化？
为什么会有这样的变化？
在这种情况下，你有什么办法提高控制系统的控制质量？
详细说明你的想法。
2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计
画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。
采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。
要求：
写出调试控制器参数的具体步骤。
在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。
在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。
打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和
（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。
打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和
（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。
思考：
串级控制系统对于副回路进水的频繁剧烈变化具有一定的抑制作用，还有什么方法可以更好的抑制该扰动对水箱液位的影响，使得控制质量能够进一步提高。
2.5实现副回路进水流量的前馈控制
提示：
和水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统组成一个前馈-串级复合控制系统）
画出此前馈-串级复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。
试求解前馈控制器的模型。
采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时，控制系统达到满意的控制质量。
写出前馈控制器参数的调试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：
过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。
3.实验系统熟悉及过程建模
3.1实验系统结构
实验装置中主要包含：
不锈钢储水箱、串接圆筒有机玻璃左上水箱、左下水箱、右上水箱、右下水箱四容水箱。
单相2.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成）、纯滞后水箱等实验装置。
系统动力支路分两路组成：
一路由单相动力循环水泵、电动控制阀、电磁流量计、水管及手动切换阀组成；另一路由动力水泵、变频调速器、涡轮流量计、水管及手动切换阀组成。
实验装置中检测变送和执行元件包括：
压力液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、控制阀等。
实验装置整体结构如图3.1所示。
图3.1
3.1建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型
3.1.1工作原理：
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图3.2
设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，泄水阀V2固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：
（式3.1）
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
（式3.2）
式中，T为水箱的时间常数，T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。
令输入流量Q1的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：
（式3.3）
当t=T时，则有：
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）（式3.4）
当t→∞时，h（∞）=K*R0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入（式3.5）
3.1.2建模步骤：
（1）修改连线：
控制台上将“左下水箱液位信号”连接到PLC模拟输入模块1的AI1端口，奖PLC的模拟输出的AO0通道信号连接到“控制阀开度”端子上，注意正负极性。
（2）关闭副回路手动控制阀，打开主回路手动控制阀，及三号水箱蓝色进水阀，解除左上左下水箱与右侧水箱耦合。
（3）启动计算机WINCC组态王软件，进入实验系统二阶双容水箱对象特性测试实验。
（4）观察系统的被控量：
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录输出值，以及水箱水位的高度和测量显示值。
（5）增加手动输入值，增加5%，10%，15%的输入量，记录此时的参数响应。
直到进入新的平衡状态，再次记录平衡时的数据。
3.1.3实验结果
1.初始时刻上水箱平衡时的状态
阀开度（0~100）
液位高度（cm）
流量值（
）
20%
4．07
0.174
表3.1上水箱的平衡状态
2.记录实验过渡曲线数据和过渡曲线图：
1 逐点记录过渡曲线数据点：
5%
10%
15%
时间T/s
液位H/cm
时间T/s
液位H/cm
时间T/s
液位H/cm
0
4.07
0
4.06
0
4.06
34
4.07
16
4.66
16
6.38
51
4.47
32
5.52
32
7.56
66
4.9
51
6.46
51
8.85
97
5.62
80
7.68
80
10.52
125
6.14
105
8.53
105
11.68
153
6.49
124
9.11
124
12.48
191
7.01
154
9.88
154
13.53
228
7.36
169
10.27
169
14.06
251
7.6
191
10.75
191
14.72
295
7.78
211
11.08
211
15.18
331
7.95
233
11.47
233
15.71
511
8.34
255
11.76
255
16.11
430
8.22
287
12.20
287
16.71
583
8.39
332
12.67
332
17.36
367
12.97
367
17.77
406
13.26
406
18.17
483
13.65
483
18.7
565
13.93
565
19.18
711
14.16
711
19.69
811
14.22
811
19.7
900
14.22
900
19.7
表3.2过渡曲线数据
3.利用matlab对记录的数据进行处理，绘出曲线
图3.3上水箱给定阶跃5%拟合响应曲线
图3.4上水箱给定阶跃10%拟合曲线
图3.5上水箱给定阶跃15%拟合曲线
4.达到新的平衡状态时记录数据
给定阶跃扰动值
阀开度（0~100）
液位高度（cm）
流量值（
）
5%
25%
8.38
0.201
10%
30%
14.32
0.226
15%
35%
19.47
0.248
表3.4上水箱给定扰动后的响应平衡状态
5.根据给定阶跃15%（20%~35%）时的响应曲线数据建立数学模型
6.根据（式3.2）（式3.4）（式3.5）建立上水箱数学模型
K=
T=216s
最终得到单容水箱数学模型：
W（s）=
3.2建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型
3.2.1实验步骤：
1.设备的连接和检查：
1）打开副泵的支路（红色阀门一路）至上水箱的所有阀门，关闭支路上通往其它对象的切换阀门。
2）控制台上将“左（右）上水箱液位”信号（1~5V）连接到PLC的模拟输入模块1的AI0端口，将PLC的模拟量输出的AO0通道信号（4～20mA）连接到“变频器、副管路泵”端子上。
2.实验步骤
1）启动计算机WinCC组态软件。
2）设置输出数值，设定输出值的大小。
3）观察系统的被控量：
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录输出值，以及水箱水位的高度h1和测量显示值并填入下表中。
3.2.2实验结果
1.初始时刻上水箱平衡时的状态
阀开度（0~100）
液位高度（cm）
流量值（
）
25%
3．85
0.215
表3.5上水箱副回路的响应平衡状态
2.增加手动输出值，记录此引起的阶跃响应的过程参数。
5%
7%
10%
时间（T/s）
液位（H/cm）
时间（T/s）
液位（H/cm）
时间（T/s）
液位（H/cm）
0
3.85
0
3.85
0
3.85
60
5.42
60
6.11
60
7.4
120
6.53
120
7.73
120
9.93
180
7.5
180
9.13
180
12.11
240
8.26
240
10.22
240
13.82
300
8.84
300
11.05
300
15.13
360
9.32
360
11.75
360
16.22
420
9.74
420
12.35
420
17.16
480
10.06
480
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