水箱液位控制设计

1、目录第一章 概述 11.1 题目背景及应用意义 11.2 本文内容及工作安排 2第二章 被控对象数学建模 42.1 系统组成 42.2 被控对象数学建模 7第三章 控制策略设计及仿真研究 1.43.1 控制策略设计 1.43.2 仿真研究 1.6第四章 控制策略实现 2.34.1 组态环境下控制策略编程实现 2.3.4.2 运行结果分析 2.6第五章 总结错 误. !未定义书签。参考文献 错 误. !未定义书签。附录 被控对象 S 函数源代码 错 误!未定义书签。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、

2、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

3、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

4、允许的波动范围内， 是液位控制系统最主要的控制目标。 随着工业的发 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

5、， 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

6、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/Simuli nk 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， 首先介绍了该系统由 哪几部分组成， 每一部分分别

7、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

8、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。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

9、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

10、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：420mA 。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 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： 420 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010V。（6）气动调节阀三容水箱液位控制系统采用

11、 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420mA电流信号，经转换器成比例地转换成0.020 .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

12、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V1V6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VI、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

13、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dtr r /tA 业、【AA" 、一PH口 tJ-t业、【/ >/r/-t -rrre / /qiq2C2q2f2（h2）q2q3

14、C3q.f3（h3）qifi1 /dgdtdh.dt所以状态方程为:d h2dt h3丄 c2 qif2(hC211f2(h2)f3(h3)C3C3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。G C3(640 2 20 2 10 93) (400 2 10) 120 110 45 65 2 5 135 5 200 166585mm2C2(640 2 20 2 10 93) (4002 10) 120 110 2 5 135 5 2002169510mm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

15、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：2B X arcs in.， Z对给定最大流量为1.0 m 3/h时，A= 5mm，B=14.784 mm。向图线性阻尼板截面截面由理想伯努力方程得到:2gV222g亍2 z处理得：V2 j2g(H z)建立直角坐标系

16、，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 H AdQ ,2g(H z)BdzQ Q,B qH ,2g(H z)dz2gH(2 )当 A H 100QiB；2g(H z)dz|B,2gAQ2dQ22g(Hz)空 arcsm AdzH A 2g(H z)冬2g【f(H32Barcsin , AdzZAA3z)2 arcs inz)2d(arcsin 芒)：2g-(H3A)2.A3Ha(H3z)?AdzF面先求LH a(H3z)2z、z AdzH

17、a(Hz)21 dzHa(H1:dzz z A 1z) H zdz谢下载载AHzHdz z At ，则At2 H z t2 12( H(At 2A)2t4H )(t21)22(H A)2t4dt(At2 H)(t21)22( H A)2222dt0 (At2H)(t2 1)2H A A 2H n ,2 At2 H3HA-(A(t21)2 t22H)邪H A)Q22Bj2g |(H33z)2arcsin. Adzz(ah 讥Aarcsin2(Hdz22g3(H33A)2丄H(H3 Az)2.2g-(H3A)22B2g(H3H2:A32(A H )t(t2 1)2z)2 d (arcsi n) V

18、 zz、z Adz(A 2H) -(H A)学2企B,2gA(H牛dtQ1 Q2字 2g(H3333A)2Bp2g(A2 H2) B2gA(H3由于上式前两项非常小及H A ，所以可简化为Q B2gAH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0.6Q B2gAH实验测得二容水箱的线性数学模型dth2h3f2g）1f2（h2）C3f3（h3）C2 qi0B；2gAh2C2h2dth3B J2gAh3Y=h2h3GO）二C3C3D = SI - A =ctE J 2gA=S +A11= s 十aBv 2gAaBigAA.X12 一aSv;2

19、gAadj(SI-A = ALifl JT122 J已知： A=5mm ,B=14.784mm2C2 =169510mm, C3 =166585 mm=0.6，取 g=9.8;,-S + 0.016675.89X 106l.0.01667S +0.01638J1 0=0 1D.D1667X S.fi9X10_fi(5+C .01667<S4-0.0163e)D.DC03 百(1+6O5<1+S1S)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:图8典型I型系统假设二阶系统的开环传递函数为：GG）工如）如果H （s） = 1，则闭环传递函数为：、.* 、G($S=

20、1十 G5? 一 / 十 2细2"朋式中z尼比；血一一自然（无阻尼）谐振频率闭环频率响应:A4(s)=Mt = M (cwT)=2fv1-2Z 0，即无阻尼时，Mr 汽 Z= 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 v Z 0.7的范围内，1 v Mr V 1.4代表瞬态响应性能较好。当Mr > 1.5 时（ZV 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Z有关Z= 0，即无阻尼时,Mp=1,系统振荡；Z 1时，Mp = 0，系统无超调。根据大量的工程经验，Z

21、=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Z0.707。k ! = 0.000360.00036 Xka = 0.50.50.00036 X 60=23.148GCCS) =23148C61S4- 1)s3.2仿真研究模型建立：(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10阶跃信号的参数参数配置：(1)阶跃信号的参数设置图11信号发生器的参数(2)信号发生器的参数设置(3)控制器的参数设计图12控制器的参数(4)限幅值的参数设置图13限幅值的参数结果分析:未加入调节装置时的

22、参数:G(s)OJ003G(6QS+1X61S+1)2.7X10_9X0.052552-=v j_S2+0.3306S+052252tpms) = 190tE(ms) = 325O% =100% = 1612%wn( rad /s)= 0.03225三=3.16364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:加入调节装置时的参数:GCs)=Dd加3個0S(3+ V £0)+1OOB3 f£ 0X 100% = 4,347%tjCms) = 620wn(rad/s)= 0)1179终值=69毛-0JO7幅值=72复现性：能较好地

23、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:昌自p js P越岳凰©IIIIIIII30H：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

24、点，液位在每段范围内唯一 对应一组 PI 参数值，在边界点上参数会发生突变，所以控制量在每段的边界点处有 较大的冲击。第四章控制策略实现4.1组态环境下控制策略编程实现变量定义：(1)数据库变量的定义数据库中定义的主要变量为采回的液位偏差和送出的控制信号图16数据库变量一 _图17偏差的定义uwBaac *raraynNFFiwih口 曰etier a Hehiij pflTetTiOOOQ30Tig iar»:囹UrttfJNrT)0ntQiDUciPV) OflOQLtaM3*tnsneerra詈7 rarqe* MrwonfSCALnw m牢UlLOj:DflLO阪oboo骨

25、LriiFLI 訓'00C'Rm Cotai Hgh4fl&5 兀鼎rlflCBnersDn低|童託匚J Sis STATISTEJ 低|代i匚=UFterlirr&ex®crfSQTFJ 站 5ubxs<Rn kcGanccl图18控制量的定义(2)中间变量的定义程序中用到中间变量主要有积分累加器，采样周期，给定im,flD,-ii:!Idunm| 嗣童 IHXS :引尊云啟茗梅 iMyur训町* tM JILtA*忙疔毗心灯 1_ v b c n* jlfseai'<算皿Mu < Jl-eh SlfilliSte* lEiP'-Si t-ui* $F*EiE 二 Jtina tllJlcQJ十曲皿 fit*(yi t鋅 棗引 耀 辭工块 輕现作丄圮眸 曉任工辺 E3羽低工说席車理fF工