水箱液位控制设计

目录 第一章 概述 1 1 1 题目背景及应用意义 1 1 2 本文内容及工作安排 2 第二章 被控对象数学建模 3 2 1 系统组成 3 2 2 被控对象数学建模 4 第三章 控制策略设计及仿真研究 7 3 1 控制策略设计 7 3 2 仿真研究 10 第四章 控制策略实现 12 4 1 组态环境下控制策略编程实现 12 4 2 运行结果分析 13 第五章 总结 14 参考文献 15 附录 被控对象 S 函数源代码 16 精品文档 1欢迎下载 第一章 概述 1 1 题目背景及应用意义 题目背景 双容水箱液位控制系统实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工具 具有过程控制的大惯性 大 时延 非线性 难以对其进行精确控制的一般特点 是研究控制理论与控制过程 过 程控制教学 实验和研究的理想课题 液位控制的工业应用自动控制技术在中国的推广使用较晚 但近年来发展较快 国内现在做液位自动控制系统方面的设计公司很多 但由于能够集工艺要求 自动 化技术和电气技术三者于一体的设计不多 所以人们清楚地认识到自动控制技术在 液位控制工业应用中的重要地位和作用 70 年代至今 由于集成电路及计算机技术 的飞速发展 实现了过程控制最优化与自动化技术相结合的计算机控制 随着这个 过程 控制理论的应用有了新的发展 各种先进控制技术也能广泛应用于工业过程 液位控制本身具有过程控制中动态过程的一般特点 大惯性 大时延 非线性 控 制过程比较复杂 但是 随着社会生产力的发展 自动化技术的日趋成熟 各种先 进控制技术也应用到液位控制中来 如自适应控制 预测控制 模糊控制 还有可 以用神经网络进行控制 甚至应用建模技术 可以对过程实时建摸 更加提高了控 制效果 应用意义 在现代化的工业生产过程中 液位是过程控制中的常见参数 被处理物料的液 位高低直接影响到生产过程能否顺利进行 因此对生产过程中的各类原料贮罐 反 应器 塔器等单元操作设备进行液位控制就显得尤为重要 将单元操作设备所处理 的物料液位限制在工艺允许的波动范围内 是液位控制系统最主要的控制目标 随 精品文档 2欢迎下载 着工业的发展 液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛 它对生产的影响不 容忽视 例如 在石油化工轻工和食品等工业生产过程中 有许多贮罐作为原料 为 保证生产过程能连续的正常进行 必须对贮罐的液位进行控制 居民生活用水的供应 通常需要使用蓄水池 蓄水池中的还有一些水处理的过程也许要对蓄水池中的液位 实施控制液位需要维持合适的高度 锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重 要的环节 汽包水位是工业锅炉安全稳定运行的重要指标 是自动控制系统主要控制 目标 保证水位控制在给定范围内 对于提高蒸汽品质 减少设备损耗和运行损耗 确保整个热力网安全运行具有重大意义 诸如此类的应用还有很多 总而言之 液 位控制是工业中常见的过程控制 液位控制在钢铁 石油化工 食品灌装等各个行 业中应用极为普及 对此进行研究有很高的实用价值 1 2 本文内容及工作安排 本课程设计的主要工作内容是使双容水箱系统的下水箱液位位保持在设定值不 变 具体包括以下几个方面 系统组成分析 认真阅读设计中用到的实验装置的 使用说明书 分析液位控制系统的组成 工作原理 特性参数 控制方案制定 制定液位控制系统的控制方案 包括拟采用何种控制策略控制 使用何种软件环境 实现 计划达到何种控制效果 水箱的数学建模 建立水箱数学模型并分析其控 制特性 控制策略设计及仿真研究 设计液位控制系统的控制策略 并在 Matlab Simulink 环境下仿真研究 得到较为满意结果 控制策略实现 将设计 的控制策略在组态软件下实现 同时实现输入输出数据显示和曲线绘制 过程动画 组态等功能 本课程设计说明书包括五章 分别是概述 被控对象数学建模 控制策略设计 及仿真研究 控制策略实现和总结 第一章是全文的概述 一方面对本设计课题的 背景及应用意义作简要阐述 旨在使读者对本设计的意义与方向有一个总体的把握 另一方面 介绍了本文内容及工作安排 第二章是被控对象数学建 首先介绍了该 精品文档 3欢迎下载 系统由哪几部分组成 每一部分分别完成何种功能 并且整个系统的具体工作原理 工作过程是怎么样的 然后又阐述了对被控对象的分析以及被控对象的数学模型的 建立等详细过程 其中设计用到了大量水力学的知识 第三章是控制策略设计与仿 真 首先这一部分主要阐述设计控制策略或控制算法的全过程 然后介绍了在 MATLAB SIMULINK 环境下仿真模型的建立 从仿真结果分析控制策略的性能 仿真 中反映的一些问题及解决措施等主要内容 本设计采用典型 I 型系统设计控制器 设计出的为比例积分控制器 在 MATLAB SIMULINK 里建立文件 并且进行仿真 对 仿真出的图像进行分析 从而得出系统的性能指标 并考虑如何改进才可以达到更 好的控制效果 第四章为控制策略实现 首先讲述了仿真验证后的控制策略或控制 算法在力控组态环境下的组态实现过程 然后讲述了对控制策略或控制算法在力控 组态环境下的组态实现后 进行实物控制的结果分析 第五章为总结 本部分主要 是对整个设计工作总结 具体取得哪些成绩 还存在哪些不足及急需改进之处 精品文档 4欢迎下载 第二章 被控对象数学建模 2 1 系统组成 三容水箱实验装置由计算机 水箱主体 差压变送器 气动调节阀 I V 转 换装置 电 气转换装置 空气压缩机 水泵等组成 总体结构如图 1 所示 本实验 中只用到 2 号水箱和 3 号水箱组成的双容液位系统 1 计算机 计算机是整个液位控制系统的控制核心 在计算机上安装了力控组态软件及板 卡驱动 用我们编写好控制脚本程序 通过设置好的端口与板卡连接 控制整个液 位系统 2 水箱主体 水箱主体是由三个透明有机玻璃水箱 一个蓄水槽及多个阀门和连接件构成 本实验中只用到 2 号水箱和 3 号水箱组成的双容液位系统 对每个水箱可以采用插 入阻力板的方法来改变其流出的流量特性 其阻力板根据缝隙式流量计原理设计为线 性阻力板和非线性阻力板可以根据需要构成不同类型的被控对象 如线性和非线性 等 本实验中用到的为线性阻尼板 3 PCI 8333 多功能接口卡 PCI 8333 多功能接口卡是计算机与液位控制系统连接的中间枢纽和转换装置 三容水箱通过 PCI 8333 多功能接口卡与计算机相连 在 PCI 8333 多功能接口卡 中设有 A D D A 转换装置 以方便连接使用 最后操作系统中安装接口卡驱动 并进行一些设置与硬件设备相对应 4 差压变送器 三容水箱采用电容式差压变送器来测量水箱液位 变送器输出信号范围 4 20 mA 被测差压通过电容传感器转换成电容差和电容和之比的变化 次变化经转换部分 精品文档 5欢迎下载 的电子线路转换为直流输出信号 5 I V 转换装置 变送器输出信号范围 4 20 mA 欲转换成电压信号需用到 I V 转换装置 转 换后的结果为 0 10V 6 气动调节阀 三容水箱液位控制系统采用 ZMAY 型气关式气动调节阀作为执行机构 ZMAY 型 气动薄膜小流量调节阀 适用于较小流量的调节 它具有结构紧凑 体积小 重量轻 安装维护方便的特点 气动薄膜执行机构使用弹性膜片将输入气压转换为对推杆的 推力 通过推杆使发信产生相应的位移 改变阀的开度 7 电 气转换器 电 气转换器是基于力矩平衡原理进行工作的 三容水箱液位控制选用 QZD 型 电 气转换器 它是工业自动化仪表中电动和气动仪表信号之间的信号转换元件 用 以将调节器输出的 4 20mA 电流信号 经转换器成比例地转换成 0 02 0 1 MPa 气动模拟信号以驱动气动执行器 通过电 气转换器可以组成电 气混合系统以便发 挥各自的优点 扩大其使用范围 工作原理及过程 图 2 控制系统结构框图 三容水箱工况组合如下 稳压水源经手阀 Vc 分两路分别经过调节阀 Vc1 Vc2 气动阀 及手阀 V1 V6 可分别进入各个水箱 其中一路为正常工艺液体 的通路 Vc1 为正常工艺液体的调节阀 可以通过选择手阀 V1 V3 V5 的开关形式 来获得不同阶次的被控对象 另一路的调节阀 Vc2 和手阀 V2 V4 V6 构成干扰通 被控对象控制器比较环节 精品文档 6欢迎下载 路 选择进入 1 2 3 号水箱的手阀 V2 V4 V6 的开关形式 即可改变扰动加入的 位置 以便做干扰加入位置对调节质量影响的实验 本实验所用到的系统为双容系统 所以选择手阀 V1 关 V3 开 V5 关 在实验 中不考虑加入扰动作用 所以 V2 V4 V6 全关 对于被控参数 水箱液位系统 平衡后当流入侧阀门开大时 流入量大于流出量 导致液位上升 同时由于出水压力的增大使流出量逐渐增大 其趋势是重新建立起 流入量与流出量之间的平衡关系 即液位上升到一定高度时 使流出量增大到与流 入量相等 重新建立起平衡关系 液位最后稳定在某一高度上 反之 液位会下降 并最终稳定在另一高度上 2 2 被控对象数学建模 双容水箱液位对象的模型如图 1 所示 根据动态物料平衡关系 单位时间内进入被控过程的物料减去单位时间内从被 控过程流出的物料等于被控过程内物料存储量的变化率 所以状态方程为 i q c hf c hf c hf c h h dt d 0 1 1 1 1 2 33 3 22 3 22 2 3 2 液容定义为引起单位位能变化所需要的容器中存储液体量的变化 容器的液容 等于容器的横断面积 1 11 111 2 122 222 3 233 333 i dh qqC dt qf h dh qqC dt qfh dh qqC dt qf h 13 2 6402 202 1093 4002 10 120 11045 652 5 1355 200 166585 CC mm 精品文档 7欢迎下载 40 6 2 14 100 20 B A 由于每个水箱的水流经过阻力板后流出 阻力板板孔非常小 靠近板孔的水流 向孔内收缩 水流不断加速 如图 5 所示 在进行阻力板流量特性分析时 水箱中 的水流是相当复杂 无法精确的分析 而且液体具有收缩性 粘性等性质 所以在 分析流量特性的过程中一般只能在理想条件下求解 最后通过实验测定阻力板流量 系数 加以修正 图 5 阻力板水流 图 6 线性阻力板 图 6 装置中具有专门针对水的流形 水箱的多级水流避震 消弱多项措施 底 2 2 6402 202 1093 4002 10 120 1102 5 1355 200 169510 C mm 精品文档 8欢迎下载 Z AB Xarcsin 2 zP gg V HP gg V 2 2 2 1 2 1 1 2 1 2 2 2 zHgV AH 部是一个宽为B 高为A的矩形孔 上部为宽X随高度Z增加逐渐缩小的隙缝 满 足关系式 对给定最大流量为 1 0 m3 h 时 A 5mm B 14 784mm 图 7 线性阻尼板截面 截面由理想伯努力方程得到 处理得 建立直角坐标系 取过阻力板底边的直线为 x 轴 过底边的中点垂直向上为 z 轴 实际液位高度为 H 取 z 为积分变量 它的变化区间为 0 H 采用定积分 元素法可以求得不同液位高度时流过阻力板的液体流量 1 当 BdzzHgdQ 2 1 精品文档 9欢迎下载 2 当 下面先求 2 3 0 1 2 3 2 2HgBdzzHgBQQ H 100 HA 2 3 0 1 2 3 2 2AgBdzzHgBQ A dz z AB zHgdQarcsin 2 2 2 1 3 3 2 2 arcsin 3 2 arcsin 3 2 2 2 arcsin 2 2 2 3 2 3 2 3 2 3 2 dz Azz zH A AHg B z A dzH A H z A zHg B dz z AB zHgQ H A H A H A dz Azz zHL H A 1 2 3 dz Az zH z zH dz Azz zHzH dz Azz zHL H A H A H A 1 1 2 3 精品文档 10欢迎下载 t Az zH 1 2 2 t HAt zdt t tHA dz 22 1 2 令 则 24 222 0 2 1 HAt Ldt AtHt 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2 3 2 0 222 2 0 222 4 2 0 222 42 AHHA A H dt t HA t AH HAt H dt tHAt t AH dt tHAt tAH L 1 3 3 2 2 arcsin 3 2 arcsin 3 2 2 2 arcsin 2 2 2 3 2 3 2 3 2 3 2 dz Azz zH A AHg B z A dzH A H z A zHg B dz z AB zHgQ H A H A H A 3 22 3 2 2 3 2 2 2 3 3 2 2 2 3 2 3 2 3 2 3 2 A HgABHg B AHg B AHHA A HA AHg B Q 3 2 2 3 2 2 3 2 2 3 2 3 2 3 21 A HgABHAg B AHg B QQQ 精品文档 11欢迎下载 3 2 10 h h i q c h h c gAB c gAB c gAB h h dt d 0 1 22 0 2 2 3 2 33 2 3 2 A H HgABQ2 由于上式前两项非常小及 所以可简化为 实际的液体有粘性 在流动过程中必然有能量损失 因此实际流量比理想值 要小 引入修正系数后 上式就为 HgABQ2 实验测得 6 0 二容水箱的线性数学模型 i q c hf c hf c hf c h h dt d 0 1 1 1 1 2 33 3 22 3 22 2 3 2 Y 1 1 0 01 0 0 精品文档 12欢迎下载 2 2 0 2 3 2 3 1 11 2 3 12 2 3 0 2 2 11 21 12 22 已知 A 5mm B 14 784mm C 169510mm C 166585 mm 0 6 取 2 2 3 2 g 9 8 2 s m 1 0 1 0 016670 0 01667 0 01638 5 89 10 6 0 0 01667 5 89 10 6 0 01667 0 01638 0 00036 1 60 1 61 第三章 控制策略设计及仿真研究 3 1 控制策略设计 设计典型 I 型系统 精品文档 13欢迎下载 图 8 典型 I 型系统 假设二阶系统的开环传递函数为 如果 H s 1 则闭环传递函数为 式中 阻尼比 n 自然 无阻尼 谐振频率 闭环频率响应 0 即无阻尼时 Mr 0 707 Mr 1 即无谐振 因此 谐振峰值 Mr 也表示系统的相对稳定性 Mr 越大 瞬态响应超调量 Mp 也 越大 在 0 4 0 7 的范围内 1 Mr 1 4 代表瞬态响应性能较好 当 Mr 1 5 时 0 4 瞬态响应出现振荡 并出现几次超调 时域中阶跃响应的超调量也与阻尼比 有关 精品文档 14欢迎下载 0 即无阻尼时 Mp 1 系统振荡 1 时 Mp 0 系统无超调 根据大量的工程经验 0 707 为最佳阻尼比 本步骤采用工程算法进行设计 根据典型的 I 型系统的动态性能指标与各有关参数的关系 使 0 707 1 1 1 60 2 61 1 0 00036 1 60 1 2 当时 0 707 1 0 5 0 00036 2 1 0 5 2 0 5 0 00036 60 23 148 23 148 61 1 3 2 仿真研究 模型建立 精品文档 15欢迎下载 1 双击打开 SIMULINK 模块库 2 选择信号源库中需要的模块 将其拖入自己的模型窗口中 图 9 双容液位控制系统的仿真模型 参数配置 1 阶跃信号的参数设置 图 10 阶跃信号的参数 2 信号发生器的参数设置 精品文档 16欢迎下载 图 11 信号发生器的参数 3 控制器的参数设计 图 12 控制器的参数 4 限幅值的参数设置 精品文档 17欢迎下载 图 13 限幅值的参数 结果分析 未加入调节装置时的参数 终值 68 2 幅值 69 3 复现性 不能很好地跟随和复现输入信号 未加入调节装置时的波形为 精品文档 18欢迎下载 终值 图 14 不加控制器时的波形 加入调节装置时的参数 终值 69 幅值 72 复现性 能较好地跟随和复现输入信号 加入调节装置加入阶跃响应时的波形为 精品文档 19欢迎下载 图 15 加控制器时的波形 分析 PI 具有比例控制器快速响应和积分控制器可以消除系统偏差的特点 PI 的使用 使液位能够及时准确以及稳定的变化 产生较为满意的液位控制 从以上仿真的结果可以看出仍然有一些偏差 主要原因如下 1 分段线性化 分段 PI 参数值不能完全与被控对象相匹配 所以控制性能与典型 I 型系统的理 想性能指标有一定的偏差 2 限幅环节 限幅环节的存在使系统具有一定的非线性特性 同样影响了系统的动态性能 系统进入稳态后 静态误差为零 根据变参数 PI 控制的特点 液位在每段