水箱实验指导书.docx
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水箱实验指导书
GoogolTech（SZ）Ltd.
液位过程控制系统（教学设备）
实验指导书
固高科技（深圳）有限公司
二○○三年十月
目录
前言2
实验一、液位传感器标定实验4
实验二、数据采样及滤波实验6
实验三、对象特性测试实验8
实验四、PID控制实验10
实验五、模糊控制实验12
附录A最小二乘法对数据拟合线性关系16
附录B液位系统建模18
前言
一、过程控制的特点
所谓过程控制系统（ProcessControlSystem，简称PCS）是模似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。
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是一个慢过程。
另外，在一些生产中，常用一些物理量来表征生产过程是否正常。
这些物理量多半是温度、压力、流量、液位等，对它们控制多半属于参量控制。
5、定值控制是过程控制的一种主要形式
在目前的多数过程控制系统中，给定值是恒定的或保持在很小范围内变化的。
控制的主要目的是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。
因此定值控制是一种主要形式。
二、过程控制的要求和任务
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工艺流程和生产过程的静、动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的手段加以实现。
因此过程控制是控制理论、工艺知识、自动化仪表和计算机技术等方面知识相结合的一门综合应用学科。
现以液位过程控制为例来说明控制设计和实现的步骤：
1、定控制目标
对于给定的液位控制系统，很显然其控制目标就是在可控范围内的任意目标液位高度。
2、选择被控参数
无论何种控制方案，都需要通过对某些参数的测量来控制和监视整个被控过程。
在液位过程控制中，需要随时对液位高度进行监控，以便控制器及时与目标液位进行比较，进而确定控制量的大小。
3、操作量（控制量）的选择
一般情况下，操作量由工艺确定，在控制系统的设计中没有多大的选择余地。
但有在多个可操作量和多个被控量的情况下，使用哪个操作量去控制哪个被控量还是要认真选择。
4、控制方案的确定
控制方案与控制目标有很大的关系。
在水箱液位控制系统中，因只要求达到目标液位高度，则只需采用液位高度控制的方案就可以满足控制要求。
5、选择控制策略
控制方案决定控制算法。
在很多情况下，只需要常规PID控制就可达到目的。
对于需要采用高级过程控制算法（如推理算法、预测控制、自适应控制和模糊控制等）的情况，控制方案和控制策略就构成了系统设计的核心内容。
在水箱液位控制系统中，可以采用PID控制和模糊控制等算法。
6、执行器的选择
在确定了控制方案和控制策略后，就要选择执行器，目前可供选择的有气动的和电动的两种，尤以气动执行器应用最为广泛。
在本液为控制系统中，最关键的问题，也是最容易被人们忽略的问题，就是如何根据操作量的工艺条件和需要的流量特性来选择适合的流量调节阀。
调节阀的规格选得过大和过小，流量特性不匹配，控制系统都难以达到预期控制目标。
本系统选择的是比例控制阀及其附带的定位器（控制器）作为执行机构。
7、控制系统的调试、投运和调节器参数的整定
控制系统设计、安装和软件编写完毕后，就应进行调试运行。
按控制要求来检测和调试各控制仪表和控制器的工作情况，包括调节器的参数、控制器参数整定等。
以上简单介绍了过程控制系统从设计到实现的全过程。
由此可见，对于从事过程控制的工作者来说，除掌握控制理论、计算机、仪器仪表知识和现代控制技术以外，还要熟悉生产过程的工艺流程，从控制的角度理解它的静态和动态工作特性。
这是设计一个好的控制系统的基础。
与此同时，还要对控制方案的实现及所需经费进行比较和分析，使之既满足控制要求又尽可能的降低成本。
实验一、液位传感器标定实验
1、实验背景
本实验系统采用7000系列通用静压式液位传感器。
其基本原理是利用压阻效应，当被测压力作用于传感器芯体的敏感区域时，在恒流源或恒压源供电的情况下，传感器输出端会产生相应的电压信号输出，输出信号与所加压力成线性关系。
下面是压力传感器连接原理图：
在实际使用中，由于传感器的零点与系统刻度的零点不同，以及由于传感器本身制造，水箱刻度制作及其它系统误差，一般需要对传感器进行标定。
在本实验中，传感器本身的线性度较好。
可以使用最小二乘方法，拟合传感器数据与刻度读数的关系。
2、实验目的
了解传感器标定的基本概念，了解利用最小二乘方法进行拟合数据。
认识液位标定在系统控制中的作用。
3、实验设备
（1）IBMPC386以上或其兼容机，和VGA显示器
（2）14bitA/D-D/A数字I/O卡
（3）水箱实验软件
（4）Matlab软件
4、实验步骤
（1）关闭水柱出水阀门。
打开水箱电控箱开关。
（2）运行水箱实验软件，在系统设置界面中设置好AD/DA通道等参数。
（3）在开环控制状态下打开电磁阀，向各个水柱注水，直到液位升至最高（参见软件使用说明），然后关闭电磁阀。
（4）关闭各个水柱之间的连通阀。
（5）在实验软件的系统设置中，将需要标定的AD量的“AD转换参数”设置为a=1，b=0。
（6）对各水柱，分别进行标定：
调节水柱的出水阀，使液位处于不同高度，记录液位在水柱刻度上的读数和在实验软件中的读数。
注意：
必须要保持液位的稳定后，才能记录数据。
（7）将记录的数据保存在txt文件中（文件格式参见附录A）。
（8）将得到的数据作图，观察AD读取的数据与从刻度读取的数据的关系。
（9）利用最小二乘法对数据进行拟合（参见附录A），拟合的关系为：
data=AD_data*a+b，其中data表示刻度读数，AD_data表示从软件中得到的读数。
（10）将拟合得到线性关系参数填入实验软件的系统设置界面，改变水柱的高度，查看从刻度与从软件中读到的数据的吻合程度。
5、实验结论
列出用于拟合的数据，以及拟合的结果。
检查经过标定的结果与刻度值的差别。
实验二、数据采样及滤波实验
1、实验背景
本系统中的液位传感器（压力传感器）可以将非电信号转换成电信号,经模拟放大后将信号x（t）转换成量程动态范围为0―5V的电信号，经A/D转换后得到数字信号。
需要输出的数字信号经D/A转换后又可变成模拟信号。
AD/DA转换是使用数据采集卡来完成的。
A/D和D/A转换是数据采集板卡上的A/D芯片和D/A芯片配以必要的外围电路完成的。
芯片有两个主要参数：
字长，转换速度。
字长越长则转换的精度越高。
例如5V的TTL电平，若字长为8bit，则转换的最大分辨率为5V/
=20mv。
若字长为12bit，则分辨率为5V/
=1.2mv。
精度提高了16倍。
本液位实验系统可配两种数据采集卡，一种AD转换字长为12bit（GT-SV板卡，6路AD,4路DA）；另一种转换字长为14bit（PCI2006板卡，32路AD，2路DA）。
转换速度则决定了芯片的最高采样速度。
图2用数字方法处理模拟信号的过程。
1.1采样周期的选取
在计算机控制系统中，存在选择采样周期的问题。
根据信号采样的理论，采样频率至少为信号最高频率的两倍。
但同时数据采集卡的A/D转换速度也决定了可以使用的最高采样频率（参见数据采集卡说明书）。
对于过程控制系统，一般来说过程变化都比较缓慢，可以使用较大的采样间隔。
采样间隔（采样周期）选择的详细背景知识参见相关的计算机控制参考书。
1.2数据滤波方法的选择
水箱系统A/D采样读入数据时，由于采样数据受到传感器噪声、AD转换误差和其他外界噪声的污染。
这在一定程度上影响了水箱系统的控制精度。
为了提高控制精度，需要对采样数据进行处理，使其最大限度地符合系统的真实输出。
下面介绍几种常用数据处理（滤波）方法。
（1）、限幅滤波法
根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A）。
在每次检测到新值时判断：
如果本次值与上次值之差的绝对值<=A,则本次值有效；如果本次值与上次值之差的绝对值>A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。
这种方法能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，但是无法抑制那种周期性的干扰，并且平滑度差。
（2）、中位值滤波法
连续采样N次（N取奇数），将N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值。
这种方法能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。
但是对流量、速度等快速变化的参数不宜。
（3）、算术平均滤波法
连续取N个采样值进行算术平均运算。
当N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；当 N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。
N值的选取为：
一般流量，N=12；压力：
N=4。
这种方法适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。
这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。
但是这种方法对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用。
（4）、低通滤波器
此外，还可以分析信号的频率分布，选择和是通带的低通滤波器，处理信号。
因为一般而言，噪声信号相对于有效信号是高频信号。
可以使用Yule-Walker、Chebyshev等方法设计滤波器。
2、实验目的
根据上述实验背景,熟悉水箱过程控制A/D的采样周期的选取和数据滤波方法的选取。
3、实验设备
（1）IBMPC386以上或其兼容机，和VGA显示器
（2）A/D-D/A数据采集卡
（3）水箱实验软件
4、实验步骤
（1）打开水柱间的连通阀，打开各水柱的出水阀（根据实验需要）。
打开水箱电控箱开关。
（2）运行水箱应用程序WaterTank.exe。
进入系统设置界面，设置好系统参数。
（3）在系统配置界面（参见实验软件使用说明）上可以设置采样时间和控制间隔。
在程序的界面上显示的数据的时间间隔和控制周期，相当于“采样时间×控制间隔”。
改变采样时间和控制间隔，观察不同采样时间和控制间隔的数据采集和控制的效果。
（注意：
由于Windows2000系统的限制，采样时间最好不小于20ms）
（4）选择好合适的采样时间和控制间隔后，在系统设置界面选择不同的滤波方法。
观察不同滤波方法的滤波效果。
（参考数字控制的）
（5）实现自定义的滤波方法。
（参见实验软件编程说明第五节）
（6）进入实验软件，在系统配置界面,在选择“滤波方式”组合选择框中选择“自定义滤波”。
（7）观察静态液面时，界面上显示的液位数据是否令人满意。
（8）改变液位，观察液位数据是否与实际液位变化相一致。
由于实验中，一般存在的噪声信号均为高频信号，一般使用低通滤波器处理实验数据。
但是如果滤波器的通带小于液位信号的最大频率，则有部分有效信号会被滤波器滤去，反映在滤波处理后的信号的动态响应过程会有滞后。
滤波器的设计需要在尽可能滤去噪声干扰信号和尽可能保持有效信号之间进行权衡。
进一步的背景知识，参考有关数字信号处理方面的书籍。
5、实验结论
给出所选择的采样周期和控制周期。
给出无滤波和有滤波情况下的实验数据。
比较和分析不同滤波方法的理论性能和实际效果。
实验三、对象特性测试实验
1、实验背景
可以通过加入测试信号，得到对象的开环响应。
利用响应结果，可以分析双容或者三容液位系统的特性。
一般使用阶跃信号作为测试信号。
考虑连续时间对象模型为（一个典型的工业过程模型）
图3模型的阶跃响应（典型工业过程）
如图得到对象的阶跃响应，可以从图中得到对象的参数：
比例系数
，延时
和时间常数
。
图中的斜线段为阶跃曲线上具有最大斜率的切线。
此切线与阶跃初始值相交的时刻，是对象的延时
；切线与稳态值相交的时刻减去延时，为对象的时间常数
。
在单位阶跃信号下，响应的稳态值与初始值之差为对象的增益
。
可以将双容水箱看成是一个带有时延的一阶对象（在出水阀打开的情况下），使用上面的方法得到水箱的动态特性。
2、实验目的
熟悉水箱的特性测试方法。
3、实验设备
（1）IBMPC386以上或其兼容机，和VGA显示器
（2）A/D-D/A数据采集卡
（3）水箱实验软件
4、实验步骤
（1）打开水柱的出水阀。
打开水箱的电控箱开关。
（2）进入实验软件。
配置好系统参数。
（3）开始实验。
（4）修改阀的控制量，产生一个阶跃的控制量。
（5）等液位达到稳态，保存阶跃响应数据到文件中（*.rtd）。
（6）对响应数据进行分析。
得到对象特性参数。
5、实验结论
给出阶跃响应曲线以及得到的对象特性参数。
实验四、PID控制实验
1、实验背景
PID三类基本控制器为
（1）比例控制：
（2）积分控制：
（3）微分控制：
并联形式的连续时间PID控制器：
数字PID控制器可以通过离散化连续时间PID控制器得到。
（1）比例控制：
（2）积分控制：
（3）微分控制：
其中
，
及
。
在实验软件中实现的是增量式PID算法：
，
其中
，
及
。
上面的PID控制算法是针对于单输入单输出的系统的。
对于多输入多输出的系统，可以使用多个PID控制器，组成多个控制回路进行控制。
但对于各个回路间存在耦合情况时，需要通过对各回路进行解耦，然后对各个回路进行控制。
（参见相关多变量控制书籍）
2、实验目的
熟悉PID控制算法及其参数的选取过程。
3、实验设备
（1）IBMPC386以上或其兼容机，和VGA显示器
（2）A/D-D/A数据采集卡
（3）水箱实验软件
4、实验步骤
（1）根据实验需要，打开或者关闭水柱间的连通阀和水柱的出水阀。
打开水箱的电控箱开关。
（2）进入实验软件。
配置好系统参数。
（3）开始实验，选择PID控制方式。
（4）通过控制器设计，选择合适的PID控制器参数，在控制参数设置界面设置PID控制参数。
（5）选择“开始控制”，进行闭环控制。
观察控制效果。
（6）选择“保存数据”，保存实验结果。
5、实验结论
给出PID控制参数及系统配置，给出当前参数下的控制效果。
实验五、模糊控制实验
1、实验背景
1.1模糊逻辑控制器（FLC）
模糊逻辑系统的结构如图4所示，包括模糊化，模糊规则，模糊推理和去模糊化。
图4模糊逻辑控制系统的结构
模糊化：
在模糊逻辑中，每个语义输入（linguisticinput）（如：
大，中和小）是一个模糊集合。
模糊集合使用隶属度函数来定义一个元素属于集合的程度（即，模糊化），取值于0到100%。
模糊规则库：
模糊规则库由一组模糊IF-THEN规则组成，模糊推理机使用模糊IF-THEN规则来确定从输入模糊集合到输出模糊集合的一个映射。
模糊IF-THEN规则形式如下：
R1:
IF误差为大且误差变化为小且…THEN输出为中
R2:
IF误差为小且误差变化为大且…THEN输出为小
….….
….….
模糊推理：
模糊控制的输出通过评估模糊规则集获得。
评估的过程依赖于模糊逻辑“与”、“或”和“IF…THEN”的定义。
最常用的方法是使用隶属度值求最大-最小分别表示“或”和“与”操作。
去模糊化：
模糊系统的输出为模糊集。
由于被控过程要求实值控制，需要一个去模糊化阶段。
有多种去模糊化方法，重心法是最常用的方法。
1.2二输入单输出模糊控制器
对双容水箱系统。
我们使用模糊控制器来控制双容水箱的水位（如图5）。
有两个状态模糊输入变量，误差（e）和误差变化量（△e）。
模糊控制量为水阀的控制电压（u）。
模糊控制方块图如图5
图5模糊逻辑控制方块图
对于每个模糊变量假定有7个模糊集合值：
正大（PL），正中（PM），正小（PS），零（ZE），负小（NS），负中（NM），负大（NL）。
我们定义模糊集合PL，PM，….NM，NL为实轴区域上的三角形，如图6。
图6e/△e/△u的隶属度函数
模糊规则：
变量
模糊值模糊集合
误差（e）：
NLNMNSZEPSPMPL
误差变化（△e）：
NLNMNSZEPSPMPL
输出（△u）：
NLNMNSZEPSPMPL
控制规则
R1：
IFe为PL且△e为PSTHEN输出为PM
R2：
IFe为NL且△e为NSTHEN输出为NM
….….
….….
N.B.控制器的稳态：
IFe为ZE且△e为ZETHEN输出为ZE
生成规则表如下：
模糊控制器的推理过程
我们使用最大最小规则分别作为模糊逻辑的“或”，“与”。
模糊逻辑“与”操作定义为：
。
图7模糊推理和重心法去模糊化
在本例中，实值控制输出（△u）使用模糊重心去模糊化方法（图7）。
2、实验目的
根据上述实验背景,熟悉模糊控制方法及其参数调整过程。
3、实验设备
（1）IBMPC386以上或其兼容机，和VGA显示器
（2）A/D-D/A数据采集卡
（3）水箱实验软件
4、实验步骤
（1）根据实验需要，打开或者关闭水柱间的连通阀和水柱的出水阀。
打开水箱的电控箱开关。
（2）进入实验软件。
配置好系统参数。
（3）开始实验，选择模糊控制方式。
（4）通过控制器设计，选择合适的模糊控制器参数。
在模糊控制参数设置界面设置控制器参数。
（5）选择“开始控制”，进行闭环控制。
观察控制效果。
（6）选择“保存数据”，保存实验结果。
5、实验结论
列出使用的模糊控制器参数及其它系统参数（如采样时间、控制间隔）。
给出模糊控制器的控制结果。
附录A最小二乘法对数据拟合线性关系
最小二乘法拟合线性关系，参见相关数据处理或者数值计算方面的参考书。
将实验的到的数据存放成如下格式数据文件：
335398
323386
308372
299353
264330
253317
238303
217284
203269
188255
178245
165233
152220
138207
126195
111180
98169
83153
70141
60131
51122
37109
2596
1383
574
其中，前一列数据为从刻度读取的数据；后一列为AD值。
然后利用下面的Matlab程序，实现最小二乘法数据拟合。
%useleast-squaresmethodtofindthelinearityrelation!
closeall
clearall
name='ad_sep25.txt';％数据文件名称
disp（['---------BeginreadingADdata['name']------------']）;
data=[];
fid=fopen（name,'r'）;
iffid==-1%notopenfilesuccessfully
disp（'---CannotOpenADfile---'）;
else
whilefeof（fid）~=1
temp=fscanf（fid,'%d',[12]）;
data=[data;temp];
end
fclose（fid）;
disp（'---------EndreadingADdata-------------'）;
end
%data:
column1--accuratedata
%column2--ADdata
Y=data（:
1）;
ADdata=data（:
2）;
len=size（Y,1）;%datanumber
X（:
1）=ADdata;
X（:
2）=zeros（len,1）+1;
%least-squaresmethod
Theta=inv（X'*X）;
Theta=Theta*X'*Y;
a=Theta
（1）
b=Theta
（2）
NewY=a*ADdata+b;%resultline
%plotdata
figure
holdon
title（'Originaldata（blue）v.s.Fitteddata（red）'）;
plot（ADdata,Y,'b'）;
plot（ADdata,NewY,'r'）;
holdoff
上述数据经过Matlab程序处理后，做出图形如下：
附图1最小二乘法拟合线性关系
得到的转换系数为：
a=1.0320，b=-74.5978。
附录B液位系统建模
1．单容液位系统的模型
附图2的单容液位系统中，各变量定义如下：
=稳态流量（发生任何变化前的流量，
）
=输入流量对其稳态值的微小偏差（
）
=输出量对其稳态值的微小偏差（
）
=稳态液位（发生任何变化前的液位，
）
=液位对其稳态液位的微小偏差（
）
附图2单容液位系统示意图
对于流体流动的系统，可以认为系统是线性的或者是可线性化的。
基于这一假设，可以推导系统的微分方程如下：
在微小时间间隔
内，容器内存储的液体的增量等于输入量减去输出量，有
又由液阻定义，有：
当
为常数时，系统的微分方程为：
，系统常数为
。
对方程进行Laplace变换，并假设初始条件为零，得到
式中，
，
。
如果把
看作输入量，把
看
升级会员 