液位控制系统的设计与实现

1、目录 TOC o "1-3" h z u 第一章 概述21.1设计题目21.2课程设计的目的21.3课程设计的主要内容和要求21.3.1 实验系统技术数据21.3.2 水箱内水流的假设31.3.3 工作内容及要求3第二章 双容水箱系统的数学建模42.1 双容水箱系统机理模型42.2 阻力板流量特性分析62.3 双容水箱的线性数学模型102.4 控制算法设计11第三章 双容水箱系统数学建模的仿真113.1控制系统仿真环境113.1.1 MATLAB简介113.1.2 SIMULINK仿真环境123.1.3 双容、多容水箱系统的仿真分析123.2双容水箱系统数学建模的参数整定1

2、43.3运用力控组态软件对系统进行设计分析173.3.1 I/O点收集及表单173.3.2创建实时数据库183.3.3制作双容液液位控制系统主画面18第四章 课设总结21第五章 主要参考文献22第一章 概述1.1设计题目液位控制系统的设计与实现1.2课程设计的目的通过本设计，学生可以加深对液位控制这一过程系统建模、仿真、分析、控制策略设计及实现的理解，熟悉过程对象的控制特性，较好地掌握计算机控制系统的典型分析方法、基本设计方法及实现方法，提高观察、分析和解决问题的能力，培养严谨的科学态度，获得科学研究的初步技能。1.3课程设计的主要内容和要求 1.3.1 实验系统技术数据双容水箱水箱横截面图（

3、单位：mm）：流入上水箱水的最大流量233219 mm3/s差压变送器 电容式，变送器输出信号范围：420 mA气动薄膜调节阀 ZMAY型，气关式电/气转换器 QZD型，输入信号：420mA电流信号；输出信号：0.020.1MPa气动模拟信号。数据采集卡 PCI-83331.3.2 水箱内水流的假设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。水箱中的水波和涡流经过隔板的多次削弱后，水流可以认为是平缓的紊流，因此对流过阻力板的水流做如下的假设：(1)

4、流过阻力板同一高度任一微小面积上的水流速度大小相等，且方向平行；(2) 水流通过阻力板平面时做垂直于该平面的运动；(3) 水流经过阻力板后的压强为大气压；(4) 流过阻力板的水流不计粘滞力和表面张力的影响。1.3.3 工作内容及要求 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双容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

5、，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。第二章 双容水箱系统的数学建模2.1 双容水箱系统机理模型同对单容水箱系统进行机理建模一样，首先要先简化系统结构，双容水箱系统结构。见图2.1。Q3阀3阀2阀1Q2h1h00Q1h2图2.1双容水箱系统结构与传统的连通式双容水箱相比，有如下不同： 插入阻力板可以灵活改变其流出量的流量特性； 液体流出量受阻力板影响，随液位的变化而变化，不能直接控制； 水流流形相当复杂，而且液体具有收缩性、粘性等性质，具有明显的水力学特性，流量特性的难以确定，导致数学建模复杂； 数学模型复杂

6、，具有多阶次、强非线性的特点，控制难度大。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。图2.2 水箱横截面图1号水箱的液容：2号水箱的液容：2.2 阻力板流量特性分析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4.2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

7、解，最后通过实验测定阻力板流量系数，加以修正。 图2.3 阻力板水流本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。 水箱中的水波和涡流经过隔板的多次削弱后，水流可以认为是平缓的紊流，因此对流过阻力板的水流做如下的假设： 1、流过阻力板同一高度任一微小面积上的水流速度大小相等，且方向平行。2、水流通过阻力板平面时做垂直于该平面的运动。3、水流经过阻力板后的压强为大气压。4、流过阻力板的水流不计粘滞力和表面张力的影响。线性阻力板的底部是一个宽为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

8、，对上图截面由理想伯努力方程得到：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。下面先求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，上式就为实验测得2.3 双容水箱的线性数学模型根据上面的分析上式说明此时双容水箱为线性系统，将相应参数值C1、C2、C3、A、B、g和代入，其传递函数为 其结构框图如图2.4U(s)图2.4 闭环控制框图2.4 控制算法设计典型I型系统设

9、计法PI调节器根据典型I型系统动态性能指标与参数的关系，可知当时，因此，PI控制器的参数为校正后传递函数框图如图2.5H1（s）（s）图2.5 闭环控制框图Qi（s）（s）第三章 双容水箱系统数学建模的仿真3.1控制系统仿真环境3.1.1 MATLAB简介计算机仿真是对控制系统进行科学研究的重要手段。通过计算机仿真来对比各种控制策略和方案，优化并确定相关参数，以获得最佳控制效果，是多年来控制系统设计尤其是新控制策略算法研究中不可缺少的技术。 MATLAB是Math Works公司于1984年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值计算，矩阵运算，信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便

10、的，界面友好的用户环境。由各个领域的专家相继推出了MATLAB工具箱，其中主要有信号处理(signal processing)、控制系统(control system)、神经网络(neural network)、模糊逻辑(fuzzy logic)、图像处理( image processing)、小波(wavelet)等工具箱13。本文主要是利用了SIMULINK工具箱和M文件。3.1.2 SIMULINK仿真环境SIMULINK是MATLAB环境下的模拟工具，提供了很方便的图形化功能模块，以便连接一个模拟系统，简化设计流程，减轻设计负担。此外，SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真

11、和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型，或者是两者的混合。SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，包含有(Sink)输出方式、(Source)输入源、(Linear)线性环节、(Nonlinear)非线性环节、(Connectors)连接与接口、(Extra)其他环节子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，还也可以定制和创建自己的模块13。3.1.3 双容、多容水箱系统的仿真分析上面讨论了系统的建模方法并实际测得了水箱液位控制的传递函数。在设计控制器之前，先要对系统进行MATLAB仿真，得到较平滑精确的曲线，对其进行稳定性分析，进而明确设计的方向。

12、在此基础上，还要分析系统的动态、稳态性能，从而明确所设计控制器期望达到的控制质量。以典型的多阶系统二阶系统为例进行分析。上面，已经求得双容水箱液位控制系统的开环传递函数为从表达式来看，双容水箱系统为具有纯时延环节的二阶系统。数学模型为：其阶跃响应曲线如图所示：从图上标示可以看到该系统稳态特性及动态特性的相关参数不难看出系统的超调量很大，动态特性勉强符合要求，但由于系统存在的静差，并且误差较大，那么在实际工业生产中就很难符合工艺要求。另外，水位上升到终值并且达到误差小于5%的调节时间较长，即达到稳定需要的时间较长，这在我们的设计中也是要尽量改进的。通过对原系统进行分析，确定PI结构控制器的基本方

13、向如下：(1) 设计后的系统地超调量尽可能减小；(2) 系统无静差，严格跟踪输入量；(3) 调节时间尽可能缩短；(4) 在满足上述条件前提下尽可能削弱抖震。3.2双容水箱系统数学建模的参数整定PID控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最悠久、控制性能较强的基本调节方式。PID控制原理简单，易于整定，使用方便。因此按照PID控制性能工作的各类调节器广泛应用于工业生产部门。另外，PID的控制性能指标对于受控对象特性的稍许变化不很敏感，能一定程度上保证调节的有效性，故PID控制仍然是最广泛应用的基本控制方式。在PID控制算法中，控制作用由比例、积分、微分3种

14、基本控制环节组成。这3种控制作用的特点如下：1. 比例控制作用：系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。缺点是对于具有自衡能力的被控对象存在静差。加大Kp可减小静差，但Kp过大，会导致系统的超调增大，使系统的动态性能变差。2. 积分控制作用对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。3. 微分控制作用的特点通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使

15、系统对干扰的抑制能力降低。根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得比较满意的控制效果。调节器参数整定的方法很多，但总体说来可以归结成为两大类：一是通过理论计算进行整定；二是工程整定方法。理论计算整定方法是依据系统的数学模型，采用控制理论的根轨迹法、频率特性法等，经过理论计算确定调解器的参数值，但这种方法过分依赖数学模型，计算繁琐，且得到的计算数据未必可以直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改。故理论计算整定方法只是提供理论指导，工程中很少应用。工程整定方法依靠工程经验，直接在实验过程中进行整定，且方法简单、实用。工程整定方法主要有临界比例度法、反应曲线法和衰减曲线法。这里采用衰减

16、曲线法进行整定。整定后数学模型为：整定后双容水箱系统响应曲线如下图：实验中避免不了扰动，因此增加扰动后数学建模如下图：输入输出口子图：仿真结果图：3.3运用力控组态软件对系统进行设计分析3.3.1 I/O点收集及表单表5.3.1.1力控点表在本实验中，我们需要定义一个I/O设备，其定义过程如下：选择“变量”“I/O设备组态”“力控”“仿真驱动”“SIMULATOR仿真器”,出现如下窗口：图5.3.1.2 I/O设备定义3.3.2创建实时数据库在该系统中，我们需要创建一个实时数据库。数据库点的创建的步骤如下；选取“工程项目”中“变量”下的“数据库组态”双击单元格后进入如下界面。3.3.3制作双容

17、液液位控制系统主画面1、工程管理器的使用1）启动力控的“工程管理器”；2）按“新增应用”按钮，添加应用名，点击“确定”按钮，然后再点击“开发系统”按钮，进入力控的组态界面；2、创建组态界面1）选择“文件”“新建”创建一个“双容液液位控制系统主画面”窗口。2）打开DRAW的“工具箱”，选择相应的画图工具， 双击画面，连接各容器可以得到如下图。在设定“IO设备驱动”和“数据库组态”、“应用程序动作”后，根据上面算的参数可得进入程序DCF1.PV=1;X2=0;T=0;程序运行周期执行L=79;W=-LEVEL_3.PV+45;LS=L-W;X2=X2+W*1;Q=0.00611975*W+0.00

18、010127*X2;IF Q<=0 THEN;Q=0;ELSE IF Q>=1 THENQ=1;ENDIF;ENDIF;QD1.PV=1-Q;结束程序DCF1.PV=0;将所有的改动都进行保存，得到运行所有数据的文件夹，到双容水箱验证结果可得如下液位历史曲线：第四章 课设总结通过这次课程设计实习，在这次实习中我们运用MATLAB软件和力控仿真软件建立模型和一些PI参数的整定，采用MATLAB软件绘制仿真结果曲线，并采用力控系统设计工具箱绘制实际水箱模型。实习中我们进一步的尽量将一些抽象的问题具体化最后并在具体模型中体现出来。在使用力控软件时对历史趋势曲线表格的设计让我们了解到动态过程，并不是凭MATLAB仿真就能够得到的，理论和实际还是有很大的区别的，理论是平滑的曲线，在实际中曲线却不尽如人意，最后能够达到平衡就已经是很不错的结果了。在这个过程中小组的队员一起协作，对实习题目：双容液位闭环控制系统，进行集体讨论，并对一系列的问题进行分工制，在实习过程中不仅对一些工业设计软件进行了学习还是对我们团