液位控制系统的建模与仿真研究

1、华中科技大学文华学院学生毕业设计（论文）开题报告学 生 姓 名胡华敏学 号学 部 （系）信息学部专业年级10自动化设计（论文）题目液位控制系统的设计与仿真研究指导教师吕汉兴一、设计（论文）选题的依据（选题的目的和意义、该选题在国内外的研究现状及发展趋势，等）1课题的目的、意义液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效可靠的控制，否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度

2、和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。工业生产过程中的液位系统通常是时变的，具有明显的滞后特性。在热工生产与传输质量或能量的过程中，存在着各种形式的容积和阻力，加上对象多具有分布参数，好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象。两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型。液位控制设计依赖的自动控制理论，经历了经典控制理论、现代控制理论两个发展阶段，现在已进入了非线性智能控制理论发展时期。从控制理论解决的问题而论，很多重大的、根本的问题，如可控性、可观

3、测性、稳定性等系统的基本性质，控制系统的综合方法等在传统控制中都建立了比较完善的理论体系。应用传统控制理论基本能够满足工程技术及各种其它领域的需要。但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。特别是本世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速度发展，推动了控制理论研究的深入开展，并进入了一段新的历程。控制理论的迅速发展，出现了许多先进的控制算法。变结构控制系统在50年代就有了相当的研究，随着人们逐渐认识到它的一些优点，如对摄动的某种完全适应性，并可用来设计日益复杂对象的控制规律，近年来又受

4、到较大重视并获得巨大的发展。人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控

5、制必将得到更加广泛的应用。2.国内外研究现状目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。PID控制是以对象 的数学模型为基础的一种控制方式。对于简单的线性、时不变系统，数学模型容易建立，采用PID控制能够取得满意的控制效果。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性。对于此类问题，传统的PID控制方式显得无能为力。液位控制由于其应用极其普遍，种类繁多，其中不乏一些大型的复杂系统。但由于其时滞性很大、具有时变性和非线性等因素，严重影响PID控制的效目前，已经开发出来的控制策略（算法）很多，但其中许多算法仍然只

6、是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。 随着生产水平和科学技术的发展，现代控制系统的控制的规模日趋大型化，复杂化，对设备和被控系统的安全性，可靠性，有效性的要求也越来越高，为了确保工业生产过程高效，安全的进行，保证并提高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。 近几十年来，液位控制系统已被广泛使用，在其研究和发展上也已趋于完备。在轻工行业中，液位控制的应用非常普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测一直到高精度的同位素液位检测系统到处都可以见到他们的身影。而控制的概

7、念更是应用在许多生活周遭的事物上。而且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的元件。凡举蓄水池,污水处理场等都需要液位元的控制.如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度那么操作人员便可轻易地在操作时获知真个设备的储水状况,如此不但工作人员工作的危险性,同时更提升了工作的效率及简便性.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 PID 控制器为主，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、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品

8、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。3.液位控制的前景在构建液位控制系统的过程中，我们得知实际操作的变异性存在其中，因此如何分析、调整及改良便是我们日后所要着重的要点。而在完成传统的PID操作控制系统后，未来我们更将利用Genetic Algorithms 找出最好的参数并建构在液位控制系统。且比较加入智能

9、型控制后的系统与传统 PID是否会有性能上的差异。近年来液位控制系统取得了很大进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位仪、雷达液位仪、光电液位开关等，这些控制器利用无线电波的折射及反射原理。光线在两种介质的分接口将产生反射或折射现象。当被测液体处于高位时则被测液体与光电开关形成一种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面。这两种分接口使光电开关内部光接受晶体所吸收的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。二、主要参考文献综述1数学建模的基本概念数学模型（Mathematical Model）是一

10、种模拟，是用数学符号、数学式子、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻划，它或能解释某些客观现象，或能预测未来的发展规律，或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。数学模型一般并非现实问题的直接翻版，它的建立常常既需要人们对现实问题深入细微的观察和分析，又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模（Mathematical Modeling）。 不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题，还是与其它学科相结合形成交叉学科，首要的和关键的一步是建立研究对象的数学模型，并加以计算求解。数学建模和计算机技术在

11、知识经济时代的作用可谓是如虎添翼。2串级控制的概念串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。图3-1 串级控制结构框图串级控制系统-两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。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），

12、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。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。3 PID控制的特点目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。图3-2 PID控制结构框图自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机

13、构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器。不同的控制系统其传感器变送器执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PI

14、D控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。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PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结

15、构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。三、设计（论文）的研究方案（拟采用的研究方法、准备工作情况及主要措施）、主要研究内容及预期目标1确定实验研究方法对于双容水箱的串级控制仿真研究，我采用是在实验室以双容水箱为研究对象，通过实验法建立数学模型。实验法一般只用于

16、建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的主要特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。为了有效地进行这种动态特性测试，仍然有必要对过程内部的机理有明确的定性了解，例如究竟有哪些主要因素在起作用，它们之间的因果关系如何等等。2 双容水箱液位数学建模工作原理说明双容水箱对象特性测试系统原理图如图2-2所示。图2-2双容水箱对象特性测试系统方框图由图2-2可知，被测对象由两个水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置

17、被破坏后，不需要操作人员干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。根据单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱的数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)= 式中Kk1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。3 对系统的性能进行分析性能指标主要包括最大超调量、峰值时间、调整时间、动态性能及精度等，可以根据最初的模型设计一定的精度，然后在设计过程中再做相应修改4研究常规PID控制方案及其仿真结果。采用常规PID方案时，先应用自动控制原理上的理论知识分析出理论上的结果，再用Matlab仿真出实验结果。并比较两者

18、的差别，得出一个合理的结论。5预期目标本文中主要采用的是串级控制算法，并与PID控制算法进行对比，从而显示出串级控制具有良好的抑制二次扰动的能力，能够使系统达到更好的控制精度。四、设计（论文）工作进展安排及参考文献1 1-4周：根据选题内容查找参考资料，研究参考文献，结合课题任务提出研究、设计方案，写出开题报告。熟悉MATLABSirnulink的系统仿真技术。2 5-7周：确定控制对象和系统的数学模型，进行常规控制规律的仿真研究。提出一种智能控制器的设计方案。3 8-10周：完成智能控制器的设计，进行仿真研究。比较不同控制方案的仿真结果，得出相应的结论。4 11-12周 整理、总结设计资料，编写设计文档，撰写毕业设计论文，准备并完成毕业答辩。参考文献1高永德.检测与自动化仪表.黑龙江:黑龙江人民出版社,20002邵裕森,戴先中.过程控制工程.北京:机械工业出版社,2000.5 3陈夕松,汪木兰.过程控制系统.北京:科学出版社,20054余金寿.过程控制系统.北京:机械工业出版社,20085胡寿松.自动控制原理(上、下).北京:国防工业出版社,19