基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计毕业论文.docx
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基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计毕业论文
基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计
毕业论文
1绪论
1.1过程控制概述
1.1.1过程控制的特点
过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。
一个过程控制系统是由被控过程和过程检测仪表两部分组成的。
过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。
过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。
过程控制有以下特点：
（1）它是连续生产过程的自动控制。
过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。
（2）被控过程是多种多样、非电量的。
在现代工业生产中。
工业控制很复杂。
由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品多种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。
它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线形特性。
有些机理复杂的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前过程辨识方法建立精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制并非易事。
（3）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。
由于被控过程具有大惯性、大滞后（大时延）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。
（4）过程控制方案十分丰富。
随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂对控制过程的要求越来越高。
过程控制的系统设计是以被控过程的特性为依据的。
由于工业过程的复杂多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线形等等。
（5）定值控制是过程控制的一种常用形式。
在石油、化工、电力、冶金等现代工业生产中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在该值上，使工业生产能实现优质、高产和低消耗的目标。
三容水箱液位定值控制系统是一种重要的过程控制，在石油、化工、冶金等工业领域有广泛的应用。
它对液位设定值，利用串行控制系统，使下水箱液位保持在该值，并跟随此给定值，抵抗扰动。
它只有一个控制变量，即下水箱液位，属于单输入、单输出控制，通常把它组建为过程仪表控制系统或远程计算机控制系统。
1.1.2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。
1.1.3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。
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液位串级控制系统概述
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。
1.2.1串级控制系统基本概念即组成结构
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
1.2.2系统特点及分析
*改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
*能迅速克服进入副回路的二次扰动。
*提高了系统的工作频率。
*对负荷变化的适应性较强。
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。
1.3.1MATLAB系统组成
（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。
1.3.2基于MATLAB的数值处理
现代科学与工程的进展离不开数学。
数学家感兴趣的问题和其他科学家、工程技术人员所关注的问题是不同。
数学家往往对数学问题的解析解和解的存在性严格证明感兴趣，而工程技术人员一般对如何求出数学问题的解更关心。
换句话说，能用某种方法获得问题的解则是工程技术人员更关心的问题。
而获得这样解的最直接方法就是通过数值解法技术。
数学问题的数值解法已经成功地运用于各个领域。
而MATLAB语言就可以求解几乎所有的数值问题，在本设计中就将运用它来对采样数据进行插值拟合。
数据拟合成曲线的思想就是根据一组二维数据，即平面上的若干点，要求确定一个一元函数y=f（x），即曲线，使这些点与曲线总体来说尽量接近，曲线拟合其目的是根据实验获得的数据去建立因变量与自变量之间有效的经验函数关系，为进一步的深入研究提供线索。
2被控对象建模
设计三容水箱液位过程控制系统必须先建立三容水箱的过程模型。
过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标，整定调节器参数等等的重要依据，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。
过程建模对于实现生产过程的自动化具有十分重要的意义。
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、中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、中水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上、中、下三个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：
d=25cm,h=20cm;中水箱尺寸为：
d=25cm，h=20cm；下水箱尺寸为：
d=35cm,h=20cm，每个水箱分为三个槽：
缓冲槽、工作槽、出水槽。
而建立过程数学模型的基本方法，一般来说有机理分析法和试验法两种。
机理分析法建模又可被称为数学分析法建模和理论建模。
对于一些简单的被控过程建模可采用此法。
但是，由于很多工业过程其内部机理较复杂，对某些物理，化学过程目前尚不完全清楚，所以对这些较复杂过程的建模较为困难，再加之工业过程非线性因素的存在和一些不合理的人为假设，使得机理法建模在对较为复杂的过程建模时显出弊端。
此时，工程上普遍采用试验法建模。
顾名思义，试验法建模的主要特点是不需要深入了解过程的机理。
只要设计一个合理的实验，去获得过程所包含的充足的信息量，就可以按照一定的方法得到被控过程的数学模型，而控制理论已有相关成熟的方案，即工程上普遍采用的阶跃响应曲线法。
2.1试验法简介
试验法建模可分为加专门信号和不加信号两种。
加专门信号就是在试验过程中改变所研究的过程输入量，对其输出量进行数据处理就可求得过程的数学模型。
不加专门信号既利用过程在正常操作时所记录的信号，进行统计分析来求得过程的数学模型。
一般来说这种方法只能定性到反映过程数学模型，其精度较差。
所以，为了能得到精度较高的数学模型，应采用加专门信号的试验法。
产生专门信号的发生器多种多样，下面介绍常用的阶越响应曲线法来辨识过程的数学模型。
它的原理很简单，在被控过程的输入量作阶越变化时，测定其输出量随时间变化的曲线，即得阶越响应曲线。
为了在实验时能满足下水箱液位能达到设定的高度，要求三只水箱放水阀的开度必须满足下列关系：
上水箱放水阀开度〉中水箱放水阀开度〉下水箱放水阀开度
（1）这样，当系统运行与稳态时，三个水箱液位高度关系必然会满足下列不等式：
下水箱液位〉中水箱液位〉上水箱液位
（2）
即满足上述的不等式后，系统在稳态时才会出现流量的平衡关系。
2.2实验步骤介绍
1.完成接线,接通电源.
2.打开阀门,3只放水阀的开度满足式
（1）要求.
3.设置系统的给定值后，用手操作调节器的输出，以控制3只水箱液位的高度。
当下水箱的液位等于给定值，且上、中水箱的液位基本不变时，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。
4.为突变给定量，施加阶跃信号，提高各调节阀开度，使得节约扰动值为10，使各水箱重新进入平衡状态，并记录水位变化数据。
图2.1水箱阶跃响应框图
2.3水箱数据采集方法介绍：
2.3.1上水箱阶跃响应参数测定：
控制调节阀开度,使初始开度OP1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。
改变调节阀开度至OP2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。
经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。
记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）:
1
22.54
6
35.90
11
38.05
16
38.60
2
29.07
7
36.71
12
38.42
17
38.70
3
33.57
8
37.11
13
38.37
18
38.67
4
38.69
9
37.82
14
38.36
19
38.71
5
34.70
10
38.26
15
38.45
20
38.86
表2.1上水箱阶跃响应数据
2.3.2中水箱阶跃响应参数测定：
控制调节阀开度,使应参数测定初始开度OP1=45,等到水箱的液位处于平衡位置时。
改变调节阀开度至OP2=55,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。
经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。
记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）:
1
23.62
7
44.77
13
47.76
19
47.64
2
30.50
8
45.56
14
47.87
20
47.09
3
35.25
9
46.17
15
47.89
21
46.52
4
38.69
10
47.06
16
47.28
22
46.41
5
41.32
11
47.25
17
47.01
23
46.28
6
43.31
12
47.46
18
47.15
24
45.90
表2.2中水箱阶跃响应数据
2.3.3下水箱阶跃响应参数测定：
控制调节阀开度,使初始开度OP1=40,等到水箱的液位处于平衡位置时。
改变调节阀开度至OP2=50,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。
经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。
记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）:
1
54.02
13
84.61
25
98.45
37
103.93
49
107.20
2
57.19
14
86.34
26
99.19
38
104.39
50
107.28
3
60.28
15
87.71
27
99.83
39
104.84
51
107.32
4
63.53
16
89.18
28
100.43
40
105.06
52
107.38
5
66.56
17
90.44
29
101.01
41
105.53
53
107.56
6
69.52
18
91.76
30
101.42
42
105.80
54
107.66
7
72.26
19
93.04
31
101.81
43
106.08
55
107.82
8
74.79
20
94.11
32
102.26
44
106.33
56
107.67
9
77.00
21
95.18
33
102.79
45
106.41
57
107.55
10
79.07
22
96.04
34
103.19
46
106.61
58
107.39
11
80.87
23
96.96
35
103.36
47
106.65
59
107.25
12
82.88
24
97.49
36
103.65
48
106.94
60
107.10
表2.2下水箱阶跃响应数据
2.4数据拟合与水箱传递函数求取
由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。
所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。
运用MATLAB提供的一组函数polyfit、polyval以及plot可以得到比较满意的多项式拟合曲线。
2.4.1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:
540;
y=[22.5429.0733.5734.7035.9036.7137.1137.8238.2638.0538.4238.3738.3638.4538.6038.7038.6738.7138.86];
p=polyfit（x,y,5）;
xi=0:
3:
540;
yi=polyval（p,xi）;
plot（x,y,xi,yi,'--'）
在MATLAB中绘出曲线如下：
图2.2上水箱拟合曲线
图2.3上水箱模型计算曲线
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）导数在t=0的值为0.25，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。
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
=16.3与阶跃扰动值
=10之比
，所以上水箱传递函数为
。
2.4.2求取中水箱模型传递函数
在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：
x=0:
30:
420;
y=[23.6230.5035.2538.6941.3243.3144.7745.5646.1747.0647.2547.4647.7647.8747.89];
p=polyfit（x,y,3）;
xi=0:
3:
420;
yi=polyval（p,xi）;
plot（x,y,xi,yi,'--'）
在MATLAB中绘出曲线如下：
图2.4中水箱拟合曲线
图2.5中水箱模型计算曲线
同上，斜率K为P（t）导数在t=0的值为0.21，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。
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
=24.2与阶跃扰动值
=10之比
，所以中水箱传递函数为
。
2.4.3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:
1500;
y=[53.5654.0257.1960.2863.5366.5669.5272.2674.7977.0079.0780.8782.8884.6186.3487.7189.1890.4491.7693.0494.1195.1896.0496.9697.4998.4599.1999.83100.43101.01101.42101.81102.26102.79103.19103.36103.65103.93104.39104.84105.06105.53105.80106.08106.33106.41106.61106.65106.94107.20107.28];
p=polyfit（x,y,3）;
xi=0:
3:
1500;
yi=polyval（p,xi）;
plot（x,y,xi,yi,'--'）
在MATLAB中绘出曲线如下：
图2.6下水箱拟合曲线
图2.7下水箱模型计算曲线
同上，斜率K为P（t）导数在t=0的值为0.12，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。
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
=53.4与阶跃扰动值
=10之比
，所以下水箱传递函数为
。
3控制系统设计及仿真
3.1控制系统的选择
计算三容水箱液位过程控制系统必须先建立三容水箱的过程模型。
过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标，整定调节器参数等等的重要依据，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。
过程建模对于实现生产过程的自动化具有十分重要的意义。
三容水箱液位定值控制系统的被控对象是三容水箱，被控参数是下水箱液位，控制参数是上水箱的给水量，可用电动调节阀控制来实现。
若采用单回路控制，其系统框图如下：
图3.1单回路控制系统框图
由于被控对象为三容水箱系统，为了满足对控制精度和功能的更高要求，单回路系统已难以满足此类被控对象，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统复杂一些的控制系统，三闭环串级控制系统就是一个选择。
图3.2三闭环液位串级控制系统框图
3.2PID控制简介
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PI
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