基于MATLAB双容水槽液位控制系统设计

四川理工学院大作业（论文）基于 MATLAB双容水槽液位控制系统设计学 生：专 业：过程装备与控制工程班 级： 四川理工学院机械工程学院二 O 一六年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 基于 MATLAB 双容水槽液位控制系统设计 学院： 机械工程学院 专业： 过控 班级： 学生： 接受任务时间 2016.06 系主任 （签名） 院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求（1）选择控制对象（2）确定被控变量（3）分析被控变量特性，确定控制方案并进行论述，进行相应选型2指定查阅的主要参考文献及说明1彭燕1.过程控制课程中一个液位控制系统综合实验J.计算机与数字工程,2015,43(6):1129-1131.2刘静1.具有相互影响的液位过程自整定 PID 控制器设计J.伺服控制,2013,(6):41-44.3徐庆龙.智能 PID 算法在远程液位控制系统中的应用J.微计算机信息,2003,19(12):19-20.3进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献、初步计算相关数据 2016.05.20-2016.05.232 初步定稿、基本完成设计说明书 2016.05.23-2016.05.263 根据文档、编制讲解 ppt 2016.05.26-2016.05.29摘 要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。因此液面高度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，能收到很好的效果。PID 控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为双容水箱液位的控制系统，其模型为二阶惯性函数，控制方式采用了 PID 算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。关键词：PID 控制 过程控制 液位控制 MATLAB 仿真IABSTRACTIn many fields of people life and industrial production often involves the liquid level and flow control problem, such as a variety of residents living water supply, beverage, food processing, filtering the solution, chemical production industry in the production process, usually need to use storage tank, storage tank level need to maintain the appropriate height, both can not be too full to overflow caused by waste, not too little and unable to meet the demand. Therefore, the height of the liquid level is an important parameter in the process of industrial control, especially in the dynamic state, the method can be used to detect and control the liquid level. PID control (proportional, integral and differential control) is the most widely used control method at present.This paper is mainly about the design process of a water tank level control system, which involves the dynamic control of the liquid level, the modeling of the control system, the PID algorithm, the sensor and the control valve and so on. As a dual tank water tank level control system, the model of the two order inertia function, control method using the PID algorithm, the control valve for the electric control valve. The selection of the appropriate device, control scheme and algorithm is to satisfy the requirements of the system to control the quality of the system, such as control precision, adjust time and overshoot.Key words: PID control;process control; level controlII目 录摘 要 .IABSTRACT.II概述 .1第一章 控制系统的组成 .21.1 被控对象的选择 .21.2 控制变量的选择与分析 .21.3 调节器的选择与分析 .2第二章 数学模型的建立 .4第三章 控制系统总体方案 .6第四章 控制系统元件选型 .74.1 执行器的选择 .74.1.1 执行器分类 .74.1.2 电动阀门的选择 .74.2 液位变送器的选择 .84.2.1 常用的液位变送器 .84.2.2 超声波变送器 .9第五章 利用 MATLAB 进行仿真设计 .105.1 传递函数的确定 .105.2 MATLAB 仿真设计 .105.2.1 整定主回路控制器 PID 参数 .105.2.2 干扰对系统的影响分析 .125.2.3 MATLAB 分析结果 .13总结 .14参考文献 .150概述在工业生产过程中，液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。工艺要求液位贮槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽。下水槽水的流出量由用户根据需要改变，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）1第一章 控制系统的组成1.1 被控对象的选择本次设计为两个水槽的串联，它们之间的连通管具有阻力，因此两者的液位是不同的。自来水 Qi首先进入水槽 1，然后再通过水槽 2 流出。水流入量 Qi由阀 1 控制，流出量 Q1决定于阀 2 的开度（根据用户的需求改变），被控变量是水槽 2 的液位 h2。下图为双容水槽示意图：图 1-1 串级控制的双容液位过程主控制对象：水槽 2副控制对象：水槽 11.2 控制变量的选择与分析主被控变量：水槽 2 的液位直通单座调节阀即阀门 1 的改变不会立即引起水槽 2 液位的变化，需要通过中间变量即水槽 1 液位的变化来间接改变水槽 2 液位的变化，所以使得控制通道容量滞后大、时间常数大（会导致系统的控制作用不及时，反映迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低）。副被控变量：水槽 1 的液位水槽 1 的液位直接影响水槽 2 的液位，而水槽 1 的液位受入水口流量的影响，反应速度快，滞后时间短。控制变量（操纵变量）：入口流量 Q1通过改变入口流量阀门的开度，改变水槽 1 的液位高度，固定阀门 2 的开度，从而改变水槽 2 的液位高度。1.3 调节器的选择与分析四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）2主调节器：2 水槽液位引起的 PID 调节器的变化通过液位变送器测出 2 水槽液位是否满足期望值，把偏差传输给 PID 调节器，调节入口阀开度，使 2 水槽液位接近期望值，实现“细调”功能。副调节器：1 水槽液位引起的 PID 调节器的变化通过液位变送器测出 1 水槽液位是否满足期望值，把偏差传输给 PID 调节器，调节入口阀开度，快速实现入口流量的变化，迅速实现“粗调”作用。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）3第二章 数学模型的建立对于双容液位对象，根据物料平衡方程可以写出两个关系式 。水槽 1 的动态平衡关系为（2-1 ）dthA1=Q- 0水槽 2 的动态平衡关系为（2-2 ）dth221式（-）与式（-）相加得：（2-3 ）dthAtQ2120同理，在 、 变化量极小时，水流出量与液位的关系近似为（2-4） 1SRh（2-5 ）2QS将式（2-）和式（2-）代入式（2-）并求微分后，经整理得到（2-6 ）dthRtdAdthSS2121再将式（2-）和式（2-）代入式（2-），经整理得到（2-5）（2-7 ）12221212 )( vSSSS qhdtdthRA式中， 分别为水槽 1、2 的横截面积;RS1、RS