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jl094
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控制系统
设计
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【JL094】液位PID控制系统设计,jl094,pid,控制系统,设计
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()( ) 1H s KU s T s传递函数： 单水箱对象为一阶惯性环节。它为有自平衡性 的对象，即当原有的物料平衡被打破时随着被 控量液位的变化，其不平衡量会越来越小，最 后能自动地稳定在新的平衡点上。对于有自平 衡的对象来说，应选择包括积分环节调节器 。 压 力传感 器或浮漂 实现 液位高度数字量采集 调节阀 调节回路流量 无干扰单回路 有干扰 压 力传感 器或浮漂 实现 液位高度数字量采集 调节阀 调节回路流量 数学模型： 1021 2 1 2 1 2() e( ) ( ) 1 ( 1 ) ( 1 ) R eU s T T s T T s T s + + + + + )()(1)()(0 带输入输出端口 双容水箱串级控制系统 副回路阶跃响应曲线 主回路阶跃响应曲线 4 4 . 9 1 . 7 2 6 . 4 1 29 . 4 2 4 . 79 . 4 0 . 1 3 1 . 2 2 2 1 0 . 2 1 2 7 6 64 . 71 . 2 2 2比例放大系数 ： 积分时间 ： 微分时间 ： 积分系数 ： 微分系数 ： 未修正的控制系统阶跃响应曲线 修正后的控制系统阶跃响应曲线 控制系统抗干扰能力测试仿真曲线 毕业（设计）论文 英文翻译 系 别 自动化系 专 业 自动化 班 级 191003 学生姓名 杨召伟 学 号 103651 指导教师 王敏 报告日期 2014 2008 【 3 he is by an is a 0 V is by an is it is a of e = 5s. It is to a be - - - n ID so to it be ST ID be to 2 ID ID ID by a or It is to ID do a et us of a ID is by K - be to in a of As it be r1 as in a (R(. It is to is in r(t) y(i) (in in by (be by ST it is to if (be 3. As it be in of to ST s it in by (R( as it in . be if (is in a in 3. of ST is as it be in 3 or 1 . s 2 . of A 2) it As it be is by If ( is by (i t to a in 4. of ST is in by (by a (A( ( P(4) (is so is y*). T(P(5) be by m(m( m, m, a 4. of ST is by a I = = by a n= = P(1 - (8) 4) 5) R( + 9) S(= 1 - (10) T( 11) to in 4 he in is a of to is to in of of to a by of In O is an of in in In of of in of in of by of of in is be an is a o he of is a - an to to to - a PC BM a I 350 4 - a a H3 he is by to to as as as it be in 0: a It on to to a to is a he VI it is an to to is on to a - - - - an a he of is a an be as to to 5. is a P to a to is a in of to it an of is by to a of to as 5. is a in a to . n a of of is A of be as an to a 国际铁路杂志 液位控制系统 【标题】国际铁路杂志 【出版日期】 2008 【编号】三月期 离子马太，杜米特鲁波佩斯库，西普里安卢浦， 制与计算机科学系 - 布加勒斯特 学 罗马尼亚 电子邮件： 3 家 液位控制系统 所述流体流是由一个电控的盛况。该过程的输入是用介于 0 和 10 V 值的电压输出是由一个超声波换能器测量的流体的水平。该过程是非线性的，但它是近似与周围的代表点功能的线性数学模型 。这是利用样本时间段 5 秒得到的近似数学模型。 重要的是要提的是设计一个数字调节器必须遵循三个步骤是很重要的： - 计算离散模型 ; - 性能规范 ; - 计算适当的控制算法 在这种情况下为电平控制被用来在未来的数字控制算法： 它的两个变种， 这些算法有不同的表演，让学生们将有机会对它们进行比较。首先，将介绍在 法和比纸张将继续与将在结构化分析和比较，以第一个 算。 2 法 数字 法来自与所有适当的采样周期采样的连续 法。 数字 制器只适合用带或不带纯滞后二阶传递函数建模的流程。 值得一提的是一些数字 制器不具有持续等效。 值算法 让我们考虑的算法： 连续 制器的传递函数，该算法被指定由四个参数： 的 K - 比例作用 ; 积分作用 ; 微分作用 ; 过滤派生诉讼。 有许多方法可以用来采样这个算法产生的以相同的形式的数字控制器。 由于可以看出， 字调节器还具有四个参数（ 1 为它的连续形式。该算法可以是国际铁路杂志 结构采用了第一种形式，如果 T（ ） = R （ ） 。 这是很容易看到， 自由度算法。在闭环其中加入参考 R（ T ）与输出 y （ i）该传递函数，其中， P（ ）限定的极点在闭环需求的确定的性能对扰动抑制。 法由多项式 R（ ，该改变的性能引入闭环新的零。这种负面影响将被部分地消除 法。在已经确定的 算法现在是很容易计算的 数（如果拒绝表演定义为 P （ 改变），因为多项式 R（ 和 S（ 相同的 3。 因为它可能会在未来的图形应遵守的 法的 于劣势的 法。 值算法 因为它上面的 节注意到引入闭环补充零多项式 T（ = R （ Q 那些零影响专门的控制性能，因为它是观察到的图 7 中。这个缺点可以被部分地消除，如果多项式 T（ 被选择。 以这种方式保证在固定的制度一整体的传递函数 3。 结构为 值算法的结构原理图呈现波纹管。 该算法保证了优异的性能比较 因为它可能会在未来的图形可以看出。 3 值算法 对于任何控制系统中定 义了两个重要目标： 1 。参考的跟踪 ; 2 。扰动的抑制 ; 一个经典的控制结构。只有一个自由程度（图 2）具有很大的缺点，即它不能满足这两个目标定义如上。 因为它可能会注意到命令不被参考和测量差分思考。这意味着，对于扰动抑制定义了一些演出可能限制基准的跟踪。如果多项式 R（ ） ，其中过滤器的引用，被替换为另一个多项式 T（ ），它会导致一个 自由程度 3 4 。 在 值算法的块结构呈现下图： 的闭环传递函数是： 表演拒绝通过由采样二阶连续系 统获得的特征多项式 P （ 立。多项式 R（ 和 S（ 解决下一多项式方程的结果： A（ S（ + Q 第（ ） R （ = P（ （ 4） 的跟踪性能进行由 T（ 参考滤波的控制。多项式 T（ ）的选择，使闭环国际铁路杂志 转移是酉（输出将按照规定的参考 Y * ） 。 T（ = P（ （ 5） 跟踪动力学可以通过多项式进行修改 第（ ）和 该过滤器的参考： 多项式 从采样二阶连续系统也造成。因此选择的参数和将确定的跟踪性能 4。 在 制结构与过滤引用的方框图列示如下： 该系统的跟踪性能是由一个二阶系统选择， I = = 果为： 拒绝演出是由一个二阶系统还给出为： n = = 为两极分配方法的特征多项式，将成为： P（ = 1 - 1 + 2（ 8） 求解系统（ 4）和应用（ 5）的结果如下： R（ = 1 + 2（ 9） S（ = 1 - 1 + 2（ 10） T（ = 1 + 2（ 11） 系统响应步骤和扰动抑制列于下图： 4 虚拟实验 在本文提出的实验是“识别与控制系统”，当然献给第四年的学生从 控制与计算机科学学院的实验室活动的一部分。 该实验室的目的是培养学生在系统辨识和数值过程控制实践活动。在这部分的实践活动的学生必须通过测试不同类型的数值算法来控制从一个罐中的液位液的可能性。在该图中的 该实验室的活动。在虚拟版本 构分为两部分。在第一部分学生练习的开环辨识的研究过程中，学生在实验室是必要的存在。实验室的第二部分包括在通过测试各种算法的识别过程的数字控制。对于这一部分实验室的学生在实验室的 是强制性的，因为活动可以在任何地方开展与互联网连接。硬件和 O 软件结构：虚拟 由两个部分组成。 件结构 这个实验的碱是从由一个硬件结构： - 一个采集板与模拟到数字和数字到模拟转换器，其获取和发送数据的过程 ; - 一个 容的 有 I - 350 理器和 64 中包含了采集板 ; - 一台摄像机的实时图像广播 ; 国际铁路杂志 - 一台 务器连接互联网 件结构 第一个子系统代表写在实验室的 序：使用互联网，因为它可能被观察图 10 - 软件结构由以子系统允许访问教学法平台的本地和遥远的形成。它运行连接到进程的计算机上，并允许本地直接访问平台。此应用程序代表了离开，来到了处理数据的栅极。 第二子系统是它保证远距离相互作用的过程的 客户机 - 服务器应用程序。 地访问 使用实验室的 建的程序进行本地访问，它是一个独立的应用程序，允许本地访问独立于平台的朝远处的访问。 此程序使用的过程中获取，并从分别将数据发送到处理该连接。该数据是在通过互联网 本地应用程序，保证了平台，如 作： - 参考变化 ; - 自动售货机 /手动政权改变 ; - 手动命令 ; - 算法配置。 为便于使用，本机程序有一个图形用户界面（ 呈现波纹管。 离接入 远方通信的基础是一个客户端 - 服务器应用程序。有定义，例如将描述如下的架构的一些关键词： 服务器 - 它接受请求并提供服务，以连接到他的客户实体 5 。在这个实验中的服务器是用 写的一个程序，它运行在 务器计算机。服务器本身连接到本地应用，并成为连接到他的客户端代理。该服务器是一个运行在后台并发送有关进程到客户端的状态，周期性数据的多线程程序。理论上它可以接受客户端的连接无限多的，但数量是由软件仅限于维持的性能有一定的水平。 客户端 - 这将请求发送到服务器并处理收到的答复数据的 软件实体 5 。 在这个实验中的客户端是在网页中注册的 程序。旁边的小程序有弧度呈现即时影像与过程的演变。 国际铁路杂志 5 。结论 本文提出了一种液位控制系统与远方的访问选项，允许监控系统的重要参数和更新提出。 这里出现的基础理论水平和控制的硬件和软件结构，通过互联网遥远的访问。 可实现的比较研究对不同的控制算法性能的演变。 该系统已创建作为一种教育工具，通过学生可以尝试遥远的访问的技术平台。 本科毕业设计论文 题目 液位 制系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 杨召伟 指导教师 王 敏 毕业时间 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） I 毕业 任务书 一、 题目 液位 二、指导思想和目的要求 通过毕业设计，使学生对所学自动控制原理、现代控制原理、控制系统仿真、电子技术等的基本理论和基本知识加深理解和应用；培养学生设计计算、数据处理、文件编辑、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等基本事件能力以及外文资料的阅读和翻译技能；掌握液位 养创新意识，增强动手能力，为今后的工作打下一定的理 论和实践基础。 要求认真复习有关基础理论和技术知识，认真对待每一个设计环节，全身心投入，认真查阅资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性和控制要求，按计划完成毕业设计各阶段的任务，重视理论联系实际，写好毕业论文。 二、 主要技术指标 设计系统满足以下要求： 调节时间： 4 超调量： % 5% 四、进度和要求 1、搜集中、英文资料，完成相关英文文献的翻译工作，明确本课题的国内外研究现状及研究意义； （第 1、 2周） 2、完成总体设计方案的论证并撰写开题报告； （第 3、 4 周） 3、理论推导被控对象的数学模型； （第 5、 6周） 设计 论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 、分析未校正单容、双容水箱液位控制系统的性能； （第 7、 8周） 5、选用 （第 9、 10周） 6、应用 （第 11周） 7、整理资料撰写毕业论文； （ 1）初稿 ； （第 12、 13周） （ 2）二稿 ； （第 14周） 8、准备答辩和答辩。 （第 15周） 五、主要参考书及参考资料 1周胜凯，李颖，水箱液位控制系统设计 M， 2012、 06 2陈帆、王勇， 制单容水箱液位及其相关阶跃响应曲线 M,2013、 6 3卢京朝，自动控制原理 , 西北工业大学出版社 ， 2009 4涂植英，过程控制系统 , 北京：机械工业出版社， 1983 5胡寿松，自动控制原理，科学 2008， 6出版社， 2008， 6 6薛定宇，陈阳泉，系统仿真技术与应用，清华大学出版社， 7王正林， 控制系统仿真，电子工业出版社， 8徐兵，过程控制，机械工业出版社， 9张显库 ，贾欣乐基于闭环增益成型的鲁棒 国造船 J 41第三期 (总第 150 期 )， 2000 10薛毅，数学建模基础，北京：工业大学出版社， 2004 学生 杨召伟 指导教师 王 敏 系主任 史仪凯 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 要 随着现代科技的发展电子信息时代的进步。国家工业的迅速发展，液位控制系统被广泛运用到石油、化工等各个行业。液位控制系统是以液位为控制参数的控制系统。有很多地方需要对容器的介质进行控制，使之高精度地保持在给定数值，液位控制一般指对某一液位进行控制和调节，使其达到所要求的控制精度，液体的液位自动控制是近年来的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术的紧密合作的产物。在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。 本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统 采用 实验建模法求取模型的传递函数。其次，设计 制器，在 境下建立双容水箱控制的仿真模型，对 过仿真实验，证明该设计方法可行性和该算法的正确性。 关键词 : 双容水箱 , 实验法建模 , 制 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） of of of is to on of to to of to a to it is a in it is a as of of In of to of of is to of of to of is to ID is of is of 北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） V 目 录 摘要 . . 一章 绪论 . 7 . 7 内外研究现状 . 8 外研究现状 . 8 国内研究现状 . 9 制理论的发展 . 10 . 11 第二章 单容水箱液位控制系统建模 . 13 . 13 位控制的实现 . 13 . 14 容水箱建模 . 16 . 16 容水箱系统模型的参数辨识 . 17 第三章 液位控制系统中的 法和控制 . 18 . 18 . 19 . 20 节器 定 . 21 第四章 真 . 22 介 . 22 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 优势特点 . 22 统结构 . 23 介 . 24 容水箱仿真 . 25 容水箱仿真 . 27 第五章 全文总结 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 毕业设计小结 . 39 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 7 第一章 绪 论 题提出背景 随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。每一个先进、实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产这个应用基地。最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际 水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的。但是，一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天，开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。 在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一般比较小，以液位过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，很多重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 8 产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制可以作为 研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智能控制、流体力学等多个学科。 内外研究现状 随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。将 法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、安全、节约的使用水资源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！ 外研究现状 德国 动化公司研制的双容水 箱系统是著名的智能实验设备之一， 在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了 司研制的双容水箱过程控制实验装置。但是，由于德国 动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。 液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其 保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点： (1)对象存在滞后 热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入 (流出 )对象的质量或能量发生变化时，由于存在 容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 9 (2)对象特性的非线性 对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。 (3)控制系统较复杂 从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有 惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。 国内研究现状 国内也有一些厂家研制了双容水箱液位系统。 列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成， 并经过香港城市大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的 成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。 开放的控制器平台， 便于用户进行自己的控制器设计， 满足创新研究的需要。 双容水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。 液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的 制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 10 制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面 取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。 制理论的发展 在 20世纪 30 到 40年代，奈奎斯特、伯德、维纳等人的著作为自动控制理论的初步形成奠定了基础；二战后，又经过众多学者的努力，在总结了以往的实践和关于反馈理论、频率响应理论并加以发展的基础上，形成了较为完整的自动控制系统设计的频率法理论。 1948年又提出了根轨迹法。至此，自动控制理论发展的第一阶段基本完成。这种建立在频率法和根轨迹法基础上的理论，通常 被称为经典控制理论。 经典控制理论以拉氏变换为数学工具，以单输入 单输出的线性定常系统为主要的研究对象。将描述系统的微分方程或差分方程变换到复数域中，得到系统的传递函数，并以此作为基础在频率域中对系统进行分析和设计，确定控制器的结构和参数。通常是采用反馈控制，构成所谓闭环控制系统。它有以下几个特点： 第一，经典控制理论只限于研究线性定常系统，即使对最简单的非线性系统也是无法处理的；出描述方式，这就从本质上忽略了系统结构的内在特性，也不能处理输入和输出皆大于 1的系统。实际上，大多数工程对象都是多输入 多输出系统，用经典控制理论设计这类系统都没有得到满意的结果； 第二，经典控制理论采用试探法设计系统。即根据经验选用合适的、简单的、工程上易于实现的控制器，然后对系统进行分析，直至找到满意的结果为止。虽然这种设计方法具有实用等很多优点，但是，在推理上却是不能令人满意的，效果也不是最佳的。 综上所述，经典控制理论的最主要的特点是：线性定常对象，单输入单输出，完成镇定任务。经典控制理论具有明显的局限性，突出的是难以有效地应用于时西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 11 变系统、多变量系统，也难以揭示系统更为深刻的特性。当把这种理论推广到更为复 杂的系统时，经典控制理论就显得无能为力了，即便对这些极简单的对象、对象描述及控制任务，理论上也尚不完整，从而促使现代控制理论的发展 对经典理的精确化、数学化及理论化。 随着科学技术的突飞猛进，对工业过程控制的要求越来越高，不仅要求控制的精确性，更注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和学习能力。另外，需要控制的工业过程日趋复杂，工业过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。这样建立在数学模型基础上的古典和现代控制方法将面临空前的挑战，同时也给新控制方法的发展带来了良好的 机遇。近几年来，控制界非常热心于“复杂系统”及“智能控制”的提倡及研究，也发表了一些见解与成果。从已发表的文献来看，对于复杂系统和智能控制的理解有很大差别。比较有代表性的说法如下： 复杂系统的特征可概括为以下三个方面： (1）复杂对象（ 难于用常规数学工具建模并研究的对象 型工业生产过程，自动化工厂等。 (2）复杂任务（ 镇定问题所不能包括的任务。 (3）复杂环境（ 现有控制理论通常假设对象 是孤立的、自由的、但实际却常是开放的，受到外部环境制约。如自动车在种种环境中行驶与躲避，煤矿采掘面的多变工作环境，人对高度开放系统的干预等，这时环境对控制有巨大影响。 具有以上特征的系统称为复杂系统，或称为 3杂系统在对象、环境及任务这三方面中至少有一个是复杂的。解决这类系统的控制问题，必须跳出建立在简化的理想数学模型基础上的现代控制理论框架，真正面对系统的复杂性，提出新的概念和模型，探索新的方法和手段，这类 3 章小结 本章着重介绍了本次论文研究对象的背景以及国内外的发展现状，介绍了过程控制的发展趋势和发展前景以及控制理论的发展。同时说明了本文的主要研究内容和目的。 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 12 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 13 第二章 水箱液位控制系统建模 箱液位控制系统简介 水箱液位控制系统实验装置是基于工业过程的物理模拟对象，它是集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处后，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了这一套全新的实验装置。该系统包括流量、液位、压力等参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈一反馈控制、比值控制、解藕控制等多种控制形式。系统的水箱主体由蓄水容器、检测组件和动力驱动三大部分构成。水箱 1、 2、 3和储水箱是用来蓄水的容器 ;检测液位可以采用 压力传感器或者浮漂加滑动变阻器两种方案来实现液位高度数字量的采集，采用电动调节阀用来进行控制回路流量的调节。整个系统通过不锈管道连接起来，储水箱为三个水箱提供水源，通道阀门开启时，水可以被分别送至三个水箱。三个水箱底部均有两个出水管道，其中装有手动阀的管道是控制系统的一部分，也可以手动调节阀门开度用来做漏水干扰的控制实验 ;另外一个直通管道则是在水箱液位达到最大值时经由它流至储水箱，以防止水箱里的水溢出水箱。 位控制的实现 除模拟 以采用计算机 先由差压传感器检测出 水箱水位；水位实际值通过单片机进行 A/成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用 将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 14 从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。 容水箱建模 图 2容水箱系统构成 单容水箱系统构成如图 2断有水流入水箱内，同时也有水不断由水箱中流出。水的流入量 出量 来改变。被控量为水位 H，它反映水的流入和流出量之间的平衡关系。显然在任何时间水位的变化均满足下述物料平衡方程： 10 A （ 2 其中 1 u（ 2 0Q k H（ 2 其中 以假定它是常数； 负载阀门开度固定不变的情况下， 式 2西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 15 10 d H d A Cd t d t （ 2 1Q 、 0Q 、 H 分别为偏离某一平衡状态 10Q 、 00Q 、 0H 的增量， H 为水箱截面积。 考虑到水位值在其稳定值附近的小范围内变化，故由式 2近似认为 1 u （ 2 002 (2 式 2012 kK u Hd t F H (2 或 0022 K uk d t k (2 如果各变量都以自己的稳态值为起始点，即 002 则可以去除式 2为 0022 K uk d t k （ 2 可以看出，此时式 2其变为传递函数为： ()( ) 1H s KU s （ 2 式 22 ， 02 从传递函数可以看出，单水箱对象为一阶惯性环节。它为有自平衡性的对象，即当原有的物料平衡被打破时随着被控量液位的变化，其不平衡量会越来越小，最后能自动地稳定在新的平衡点上。对于有自平衡的对象来说，应选择包括积分环节调节器；而对于无自平衡性的对象，则应该选择不包括积分环节的调节器。 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 16 容水箱建模 图 2水箱系统构成 双容水箱系统构成如图 2是两个串联在一起的水箱，水首先进入水箱 A，然后通过阀 ，再通过阀 中流出。水流入量 出量 控量为水箱 2,根据图 2 水箱 A： 1 111 ()Qd t A （ 2 水箱 B： 2 021 ()Qd t A （ 2 其中： 1 u111221 （ 2 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 17 1A，2R，2Q， H和 式 2式 2并整理后得： 11 1 1 K R = （ 2 22 2 1 0 r - = （ 2 其中：1 1 1T 2 2 2T A R=，21/r R R=从式 2 2 221 2 1 2 2 1() d T T H r K R ud t d t+ + + = （ 2 式 2是被控对象两个串联水箱的反映。将上式变为传递函数形式为： 121 2 1 2()( ) ( ) 1 s T T s T T s= + + + （ 2 当过程具有纯时延，则传递函数为： 1021 2 1 2 1 2() e( ) ( ) 1 ( 1 ) ( 1 ) R eU s T T s T T s T s + + + + + （ 2 式 2容水箱系统模型的参数辨识 通过机理建模可以得知双容水箱的传递函数，我们可以通过对单个水箱进行特性测试的方法得到各个水箱的过程时间常数1T，2t，再由 0 0=K h 输 出 稳 态 值 （ ）输 入 阶 跃 幅 值(2 1 (2 求的0K， t 即可。 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 18 第三章 液位控制系统中的 法和控制 制器的应用与发展 在过去的几十年里， 控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有 且许多高级控制都是以 们今天所熟知的 制器产生并发展于 1915一 1940 年期间。尽管自 1940 年以来，许多先进控制方法不断推出，但 模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。 制器作为最早实用化的控制器己有 70多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点， 大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的 数工程 整定方法是在 1942 年由 出的简称为 的整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。 1953 年 一 时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的 定公式。 自 许多技术己经被用于照发展阶段划分，可分为常规 数整定方法及智能 按照被控对象个数来划分，可分为单变量 者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点 ;按控制量的组合形式来划分，可分为线性 数整定方法及非线性 者用于经典 者用于由非线性跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性 目前 数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 19 点 : (1)对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的 数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程 信息及较简单的操作就能较好地完成整定。 (2)对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著祸合的多变量过程的多变量 一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所 其易于在线整定。 (3)智能 自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自诊断功能 ;结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有 将预测控制、模糊控制和 一步提高控制系统性能。这些都是智能 制发展的极有前途的方向。 内容 控制器（比例 微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过 d 三个参数的设定。 P:比例调节 控制器的输出信号 u=k 例控制作用是最基本的，也是最只要的控制作用，它能比较迅速地克服干扰，适合干扰变化幅度小，自衡能力强，对象滞后小，控制质量要求不高的场合。 I:积分调节 控制器输出信号的变化速度 du/ du/0e. 例积分 u=0 t 0u=1/（ e+1/t 0 为比例度，可视情况取正或负值 ;积分时间。和 工业要求静态无余差，控制对象容量滞后小，负荷变化幅度较大，但变化过程又较慢的场合，可采用比例积分作用控制规律的控制器。一般来说，积分时间较小，积分作用强，消除余差的能力强，但系统的稳定性也西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 20 相应下降。 D：微分调节 具有微分控制规律的控制器，其输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 U=de/例微分控制器 U=1/（ e+为比例度，可视情况取正值或负值； 于微分调节动作总是力图仰制被调量的震荡，因此它有提高控制系统稳定性的作用。由于微分作用使系统具有超前控制功能，减小了动态偏差，因此，它适用于控制对象的时间常数较大的场合，只要微分时间设定得当，系统的动态品质、稳定性都会提高，过度过程时间也会相应的缩短 例积分微分调节 U=1/（ e+1/t 0+制 器的传递函数为 G（ s）=1/(1+1/最为理想的控制当属比例 微分控制规律。它集三者之长：既有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前控制功能。 制组成 控制系统中，控制器最常用的控制规律是 统由模拟 图 3制系统组成方框图 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 21 节器 定 调节器 1）选择调节器 建议选择“衰减曲线法”，即 4： 1衰减曲线法。 此方法具体做法为：首先结合此时液位值给出一合适的设定值 ，其次将调节器 ,比例度（百分数形式）设置为一合适值（比例度与比例系数成反比），最后将调节器手动状态切换为自动状态，由大到小适当改变比例度，直至出现输出曲线 4： 1衰减过程为止。 记录此时的比例度值，选择控制规律，并根据附录中给出的表格计算出各控制规律的 2）根据计算出的参数值设定 在线调整 数，使得液位测量值 3）待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰： 突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化。（推荐） 1度。（推荐） 1电磁阀）开至适当开度，将电磁阀开关打至“手动”位置。 以上几种干扰均要求扰动量为控制量的 5 15，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面 两种干扰方法仍稳定在原设定值），液位的响应过程曲线将 如图 3 图 3容水箱的液位阶跃响应曲线 西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 22 第四章 真 介 为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国 司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、 编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。 制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 ， 且 吸收了像 为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， C+， 以直接调用， 用户也可以将自己编写的实用程序导入到 外许多的 户直接进行下载就可以用。 （ 1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱西北工业大学明德学院本科毕业设计（论文） 23 出来。 （ 2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化。 （ 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握。 （ 4) 功能丰富的应用工具箱 (如信号处理工具箱、通信工具箱等 ) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。 统结构 学函数库、 用程序接口（ 大部分构成。 开发环境 中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的 用户工作空间，允许用户输入输出数据，并提供了 括 令窗口、 数学函数库 基本算法如加法、正弦，到复杂算法如矩阵求逆、快速傅里叶变换等。 语言 言
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