液位控制实验(完整版)实用资料

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实验一液位控制实验液位控制实验（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）一．实验目的1．将仿真系统和实物系统进行对比研究，掌握控制系统的结构和特性，建立起更清晰的控制系统的概念。2．掌握PID算法在MATLABsimulink中的使用方法。3.掌握通过调节阀控制液位高度的原理和操作.二．实验说明实验装置采用兰州理工大学自动化系紧凑型FESTO液位控制系统。FESTO液位控制系统如图1所示，液位控制单元流程图如图2所示。图2中，被控对象为B102，被控参数为B102的水位。执行器为水泵P101，测量变送器为模拟式超声波液位传感器，调节器为电机调速器。水泵将水箱B101里的蒸馏水送到B102，水箱B102的水在重力作用下流到水箱B101，为保持水箱B102的水位在设定值，水箱B102上方的超声波液位传感器测得水箱B102水位，并将水位信号传到控制器。实验过程中由WinCC软件负责测量和记录水位高度数据和控制器控制信号，并将数据通过DDE传到MATLAB中进行运算。图1PCS实验装置图图2液位控制示意图该控制逻辑是一个经典的单回路液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位高度，即控制的任务是控制液位高度等于给定值所要求的大小。采用PID控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。三．实验内容1．在MATLAB中Simulink文件中编写程序，实现液位控制在某一给定值上。四．实验步骤1.使控制器处于“手动”操作。2.由DDE采集阶跃响应数据,并实时传送给matlab。3.matlab在获得数据后，利用m文件或simulink把控制结果计算出来并通过DDE传给执行器。4.对控制器或调节器进行工作量设定(设定SP、P、I、D值)，并记录控制曲线。暂时设定积分参数I=9999(一个很大的值，表示取消积分)，D=0。5.改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。6、对控制器或调节器进行工作量设定，把比例控制，微分控制取消，直接积分控制。7、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备。五、实验结果1.通过抓图方法，提交获得的曲线。2.根据曲线，分析P、PI和PID控制大致具有哪些趋势特征。青岛理工大学检测技术与控制仪表课程设计报告题目名称：液位检测与控制试验系统设计专业_自动化_______班级09级2班_____姓名__吴兆锋______学号__202128111________时间_____2021____年__12__月____25___日指导教师刘素花__________目录封面………………1目录………………2课程任务…………3课程名称、实验目的及要求…………4实验步骤……………51.系统结构设计…………52、过程仪表选择………………5(1液位变送器…………………6(2调节器………9(3调节阀……………………11(4变频器……………………13(5水泵………15设计总结…………………17附录：参考文献……………18液位检测与控制试验系统设计设计任务1、设计参数上位水箱尺寸：800×500×600mm；上位水箱离地200mm安装，通过直径为20mm的PVC管道与其它设备相连，设备离地30mm，要求测量水箱的液位。测量误差不超过液位高度示值的±1mm。2、设计要求（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有一定的理论计算；（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。液位检测与控制试验系统设计摘要：本系统设计了一种基于AT89C52的水箱液位控制系统。由液位设定值进行相应计算得变频器的频率，控制水泵的输入电压，从而控制进入水箱的液体量。液位传感器采集液位数据进行AD转换后，送入单片机与设定的液位进行比较得到误差后再进行DA转换。并由此误差进行相应的PID调节后作用于调节阀控制液体进入水箱的速度，进而控制液体流出水箱的速度。由以上进行水箱的液位控制。本次试验模拟了水箱水位的检测与控制系统，在整个设计过程中，完成了用PID算法对水箱液位的控制，在上水箱液位PID控制和，取得了满意的曲线。其次是过程控制对象特性的确定和PID算法的研究，整个控制系统的组成，包括检测装置和执行机构的选择。利用液体静力学原理测量液位或水深，是近代压力传感器的一种重要应用。利用当代最先进的微机械加工技术制作的高灵敏度、高精度硅压阻力敏感元件作为液位传感器的心脏，精密的温度补偿技术，辅之一带通气导管的专用电缆及专门的水密封技术，既保证了侵入式传感器的水密封，又使得参考压力腔与环境气压相通。通过对接触介质的各种材料包括敏感元件、壳体、电缆、护管等材料的选择、试验与设计，设计出正确的控制系统。关键词：调节器、调节阀、变频器、水泵，液位*实验目的：通过设计本系统进一步了解各种过程器件的各种性能特征以及使用的场合与条件，更加清楚地知道各种仪表在自动化过程控制中的应用。通过本次独立的完成系统设计培养一种严密、整体的思维能力，以及独立完成各种工作的能力。*实验要求（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有一定的理论计算；（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求。*实验步骤一、系统结构设计1、控制方案本系统由液位设定值进行相应计算得变频器的频率，控制水泵的输入电压，从而控制进入水箱的液体量。液位传感器采集液位数据进行AD转换后，送入单片机与设定的液位进行比较得到误差后再进行DA转换。并由此误差进行相应的PID调节后作用于调节阀控制液体进入水箱的速度，进而控制液体流出水箱的速度。由以上进行水箱的液位控制。2、系统总体框图二、过程仪表的选择1、液位传感器根据设计参数，水箱高度为600mm，测量误差不超过液位高度示值的±1mm。假设所设定的液位高度为100mm~500mm,由误差的计算式得（2/100=2%；2/500=0.4%），所以计算得到所需传感器的误差大致为2%~0.4%，即只要小于2%即可满足要求。且设计题目中说明该传感器通过直径为20mm的PVC管道与其它设备相连，通过查阅大量的资料选择了扩散硅（进口芯片）液位变送器AOB136。静压测量原理：当传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ=ρ.g.H+Po式中：P：液位计迎液面所受压力ρ：被测液体密度g：重力加速度（调试时按照9.8015）Po：液面上大气压H：传感器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的Po，使传感器测得压力为：ρ.g.H，显然,通过测取压力P，可以得到液位深。选择理由AOB136液位变送器采用先进电路处理技术，性能稳定、高灵敏度；多种量程，最大可测200m(水柱压力；采用316L不锈钢隔离膜片，适用于多种测量介质；配置灵活，根据需要可选择不同配置；一体式、分体式可选；反极性和过电压保护；抗冲击、防雷击设计；激光调阻温度补偿，零点、量程可现场调节；范围宽抗腐蚀，适于多种介质；过载及抗干扰能力强，性能稳定。采用高性能的扩散硅压阻式压力传感器作为测量元件，经过高可靠性的放大处理电路及精密温度补偿，将被测介质的表压或绝压转换为标准的电压或电流信号。本产品体积小巧，使用安装方便，直接投入水中即可测量出变送器末端到液面的液位高度特点采用扩散硅敏感元件，测量精确，稳定性好变送器探头采用全不锈钢密封结构，内充硅油，传感器芯片与介质完全隔离，可测量多种介质的液位外部可直接调整零点和满度结构紧凑坚固，安装使用方便可配数字显示器做现场输出指示主要技术指标：测量范围：0.1～100m测量精度：±0.2%FS、±0.5%FS输出信号：4～20mA或1～5VDC过载能力：2～3倍量程温度漂移：0.02%FS/℃供电电源：18～36VDA介质温度：-20～80℃环境温度：-30℃～80℃环境湿度：<85%RH●型号说明型谱说明A0B-136投入式液位变送器防爆形式P普通型B本安型F隔爆型连接方式L1导气电缆连接L2不锈钢管连接，最长2.5mL3特殊连接输出信号A4～20mADCV1～5VDCZ指定信号显示方式M0～100%模拟显示E数字表头显示C液晶表头显示测量范围（）（）内记入量程电气连接两线制4～20mA连接红线：电源；绿线：输出实物图.应用工业现场液位测量与控制、城市供水及污水处理、石油、化工、电厂、水文监测、水库、大坝、水电建设等领域的液位的测量与控制。2、调节器调节器即控制器，可编程调节器属于调节器的一种，可编程调节器又称数字调节器或单回路调节器。它是以微处理器为核心部件的一种新型调节器。它的各种功能可以通过改变程序（编程）的方法来实现，故称为可编程调节器。调节器（单片机）的选择51单片机简单实用，本次选择51单片机调节器外围电路键盘显示电路键盘显示电路主要是实现液位设定值的输入和显示实时液位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是否有键按下的检测并判断键值，有操作则进行延时去消抖，并根据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本系统采用4行×4列的16键行列式键盘，占用单片机P1口的8个端口。显示采用12864液晶显示当前液位测量值。AD、DA转换电路及控制输出AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。图6是AD转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到AD转换器。DA转换器则采用DAC0832.程序流程图如下所示：3、调节阀调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。调节阀由执行机构和阀（调节机构）组成。执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其他调节机构的装置。信号或驱动力可以为气动、电动、液动或这三者的任意组合。阀是调节阀的调节部分，它与介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯与阀座之间的流通面积，从而达到调节流量的目的。以压缩空气为动力源的调节阀称为气动调节阀；以电为动力源的调节阀则为电动调节阀。这两种是用得最多的调节阀。此外，还有液动调节阀、智能阀、调节阀等。电动调节阀与气动调节阀的对比电动调节阀优点是结构简单，应用范围广，调节过程可控性好，行程准确。缺点是可能产生电火花，或者静电火花。气动调节阀的优点是动作迅速，能够快速的完成调节命令，且安全，不会产生电火花。但缺点是控制复杂，造价高，结构复杂。所以调节上大多都使用的是电动阀，但是在某些要求快速关启的关路上和油管，易燃易爆气体，化工危险品管路上还是使用气动阀。且因为单片机直接输出电气信号，根据整个系统设计的需要电动调节阀更为合适。所选产品YDF01实物图：概述YDF01系列直行程智能一体化电动执行机构，体积小、重量轻、功能强、智能操作器内装、操作方便。PSL系列直行程电动执行机构最大行程达到100mm，最大推力可达到25KN，适合于直线动作的阀门开关或调节控制。特点

．一体化结构设计，执行器选用铸铝支架及塑料外壳，体积小、重量轻

选用永磁同步电机，并带有磁滞离合机构，具有可靠的自我保护功能。功能模块式结构设计，通过不同可选功能的组合，实现从简单到复杂的控制，满足不同应用要求。

适合多种控制信号：增量（浮点）、电压（0～10V）、电流（4～20mA）具有0～10V或4～20mA反馈信号（选配）

传动全部采用小齿隙密封齿轮，具有效率高、噪声低、寿命长、稳定可靠、无需加油，多种运行速度，可满足各种控制系统的要求，以保证系统的快速响应及稳定性

阀体有螺纹连接和法兰连接两种，安装方便，其构造符合IEC国际标准

驱动电机采用高性能稀土磁性材料制作的高速同步电机，运行平稳。具有体积小、力矩大、抗堵转、控制精度高等特点。

功耗低、输出力大、噪音小

阀体有铸铜、铸铁、铸钢、不锈钢多种材质可供选择，以适合不同工作介质及温度的要求阀位反馈元件采用全密封高精度多圈电位器，具有体积小、精度高、死区小、使用寿命长等特点。全部电器元件均采用世界名牌产品，质量可靠。电器部件布线严谨并与传动部件完全隔离，提高了执行机构运行性的可靠。结构YDF01主要是由相互隔离的电器控制部分和齿轮传动部分组成。电机作为连接两隔离部分的中间部件，电机按控制要求输出转矩，通过多极正齿轮传递到梯形丝杆上，丝杆通过杆螺纹变换转矩为推力。此杆螺纹能自锁，并且将直线行程通过与阀门的适配器传递到阀杆。执行机构出轴带有一个防止转动的止转销，出轴的径向锁定装置可以作为位置指示器。锁定装置连有一个连杆，连杆随输出轴同步运行，通过与连杆连接的线路板将输出轴位移转换成电信号，提供给伺服放大器做为比较信号和阀位反馈输出，同时执行机构的行程也可由开关板上的两个主限位开关来限制，并由两个机械限位档块来调整限定位置。4、变频器变频器是利用电力半导体器件将工频电源转换成另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流/过压/过载保护等功能变频器变频调速原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。交-直部分整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。变频器分类变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。因为我们使用的是电压源供电，所以使用电压型。泵用变频器调速控制原理水泵的负载性质是平方递减转矩型,有下列关系:水泵的流量Q与转速n成正比;扬程H与转速n的三次方成正比;电动机的转速n与电源频率F成正比.因此改变电动机电源频率,可改变电机即水泵的转速,从而达到调节给水流量和水泵的扬程的目的.水泵专用型■针对水泵恒压节能控制设计■内置PID和先进的节能软件■可实现一托一分时段多点压力定时功能■高效节能，节电效果20%～60%(根据实际工况而定■简便管理，安全保护，实现自动化控制■延长设备寿命、保护电网稳定、保减磨损、降低故障率■实现软起,制动功能实物：产品图简述：■高防护等级IP54■内置PID功能，外加压力传感器，即可实现闭环控制■傻瓜式调试方法，方便使用■具备水泵电机保护功能■停电后自动恢复和低水位保护功能■零流量自动停机功能，用户不用水的情况下可自动停机，节能环保应用场合：家庭、小高层、别墅、宾馆、学校、果园、农场、工厂等需要恒压供水或需要加压的场所电气特性电压：220V/380V0.4KW0.75KW1.5KW2.2KW0.75KW1.5KW2.2KW计算与选择实验设计中要求水箱高度为600mm，离地200mm，设备离地30mm，所以最大扬程应大于600+200-30=770mm，，为保有一定裕量，选择2.2KW三晶杜威-IQ变频器5、水泵定义：通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。分类：根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。工作原理：1、容积式泵:利用工作腔容积周期变化来输送液体。2、叶片泵:利用叶片和液体相互作用来输送液体选择：实验设计中要求水箱高度为600mm，离地200mm，设备离地30mm，所以最大扬程应大于600+200-30=770mm，扬程要高出实际使用高度20%，为924mm，根据这一要求及其它电器、安全等要求，选择普兰迪2202的水泵，如下图所示：实物性能指标电压：12V24V电流：1.3-1.8A左右最大压力：1.0Mpa平时压力：0.3-0.5Mpa，工作时间：可以连续工作2500个小时流量：1L-3.5L/min80米。该系列特点外型尺寸：160X100X60mm最大吸程2米，扬程可达1.压力大，可达5-6kg.2．耗电量小：只有1.3-1.8A。3．智能化：溢压回流型和压力开关型。4．寿命长：电机寿命在5年以上。5．耐腐蚀：使用的大小膜片，由多种进口材料合成。具有耐油、热、酸、碱、腐蚀、耐化学品等性能。6.独具防尘帽设计，避免异物落入进出水口内，延长寿命。7.做工精致、体积小、重量轻、流量较大(最大可达4.0升/分钟、压力高(最大可达5.5公斤、性能稳定、安装方便型号从节能角度综上考虑选择型号普兰迪2202作为本次所用的水泵。统整体装置如下系所示：统整体装置如下系所示：三、16总结通过本次课程设计，我对液位检测与控制有了初步的认识，这对我以后系统设计有很大的作用。虽然两周的时间很短暂，但这两周的每一天都值得回忆，因为这两周的每一天我们都收获颇丰，每一天我们都过得很充实，每一天我们都感受到一种紧迫同时又感受到了自己实实在在的进步，更让我们明白了一个道理：理论只有结合实践才能更加清晰深刻，学习只有付出才能有收获。任何理论学习都需要实践，通过实践，才能加深对理论理解和运用。这次的课程设计部仅提高了自己的动手能力、操作能力，而且自己也可以从中学习了不少知识，使我深深的认识到实践能力的重要性。总体来说，这次检测与控制系统的课程设计使我受益匪浅。在摸索该如何设计单回路系统控制使之实现最优控制功能的过程中，培养我的思维能力，动手能力。让我体会到设计控制系统的艰辛时，更让我体会到成功的喜悦和快乐四、参考文献【1】胡汉才单片机原理及其接口技术（第三版）【2】熊新民工业过程控制课程设计指导书2021年【3】熊新民有专家系统的PID自适应调节【J】自动化与仪表控制1992年【4】王俊杰检测技术与仪器17液位控制器的设计1引言在自动控制领域里,如果被控制对象是个比较复杂的非线性、时变而且又有大的滞后的系统的话,往往很难获得精确的数学模型,并且由于传统的经典控制方法是建立在数学模型的基础上的,没有数学模型,这些经典的控制方法是很难获得良好的动态和静态性能的。而模糊控制是一种模仿人的智能的控制方法,它不依赖于对象的数学模型,而是通过对模糊信息的处理做出对复杂对象的控制。模糊控制技术在复杂、大滞后、难以建立精确数学模型的非线性控制过程中表现出了优越的性能。本文针对钢水液位控制系统的时变、非线性特性,设计出模糊控制器,并且将其应用到钢水的液位控制中。2钢水液位控制系统的组成在钢铁生产的连铸工艺流程中,钢水从钢包流入中间包,然后通过浸入式水口流入结晶器,结晶器中钢水液位的调节一般通过调节中间包内可以上下移动的导塞杆的位置来实现。它的简化结构框图如图1所示。和传统的开环控制或PID闭环控制方式不同的是,本系统的控制器采用模糊控制器（虚线框内部分）。图1钢水液位控制系统2.1系统部件介绍钢水液位控制系统中的执行机构采用电液伺服驱动装置来驱动导塞杆的上下位移,从而实现液位的调节。电液伺服驱动装置由伺服放大器和电液伺服阀组成。本系统采用的伺服放大器是为动圈式电液伺服阀设计的专用配套放大器,它采用固体组件,集成度高,并备有多种附件插板可扩展电路功能,且能方便地与计算机相连。其输入为电压信号,输出为电流信号。电液伺服阀是电液伺服驱动装置中的一个核心部件,本系统采用DY系列伺服阀将电气部分和液压部分连接起来,用输入为毫安级电流去控制液体流动,来驱动活塞在液压缸中的位移,液压缸活塞的位移带动导塞杆上升或下降,从而实现液位的调节。电液伺服驱动装置不仅能自动跟随控制器电输入信号而动作,而且起到信号功率放大作用。液位信号的检测通过WY型差动变压器式位移传感器来实现,该传感器是基于变压器原理,通过一次线圈与二次线圈弱电磁耦合,使得铁心的位移变化量与电压信号成近似的线性关系。在使用时将它与浮子相连,可以把直线移动的铁心位移变换成电压信号,经APD转换后输入计算机进行处理。2.2模糊控制器的设计本系统采用的是mamdani推理型模糊控制器。模糊控制器采用双输入、单输出的结构,输入量选用设定的液位值与采样液位值之间的偏差E以及液位偏差值的变化率EC,输出量选用液位控制量U。模糊控制器的设计是模糊控制中的重点,它由模糊化、模糊算法、模糊判决三部分组成。2.2.1精确量的模糊化过程根据本系统的实际性质和要求,对输入量E、EC和输出控制量U的模糊语言描述（模糊集）定义如下:描述输入量E、EC和输出控制量U的语言值模糊子集均选为{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB},量化论域均取为{-3,-2,-1,0,1,2,3}。输入量E的基本论域为[-1.2%～+1.2%],输入量EC的基本论域为[-0.6%～+0.6%],输出量U的基本论域为[-12～+12],则量化因子分别为:K1=3P1.2%=250,K2=3P0.6%=500,K3=12P3=4。根据实际系统可写出输入量和输出量各档的隶属函数。本系统所选择的隶属函数均为三角形分布。这样就完成了精确量的模糊化过程。需要注意的是,不同系统中,模糊集的隶属函数是不同的,要根据实际情况和实践经验而定。2.2.2模糊控制算法模糊控制的核心是模糊控制规则的建立,模糊控制规则的实质是把操作者的经验加以总结,并将在控制过程中由经验得来的相应措施总结成一条条控制规则。在得到输入偏差量E,偏差变化率EC和控制量U的模糊集后,就可以利用“若E且EC,则U”的控制规则进行模糊控制器的建立。这种控制规则是总结人们的操作经验和思维过程,根据测得的偏差和偏差变化率,来判断应该施加的控制量。表1为总结出各种情况时的控制规则表。该表总结出一个完整的控制策略,表中每项对应一条模糊条件推理语句。每一条模糊条件推理语句,对应一个模糊关系为:R=E×EC×U。按上式即可计算出每一条模糊条件推理语句所对应的一个模糊关系矩阵R1,R2,……,Rn,将所有的模糊关系矩阵求并集运算,即:R=R1∪R2∪⋯∪Rn,即可求出总的模糊关系R。在计算出总的模糊关系R后,在输入已知的条件下,输出由这个总控制规则的模糊关系确定,例如当有任意输入偏差E1和偏差变化率EC1时,用推理合成原理即可算出相应的控制量U1:U1=E1×EC1×R。2.2.3模糊判决由模糊数学理论知道,总的模糊关系矩阵R是一个49×7的矩阵,每次控制计算都处理这样一个矩阵是很困难的,为此,事前先将R矩阵算出,然后算出每种输入状态下的模糊控制输出,最后用最大隶属度决策算法,将模糊控制输出转化为精确的实际输出动作。经过计算的模糊查询表如表2所示。在实时控制时,先将该表存入计算机,只要测得E和EC,通过查询计算机内存中的总控制表,即可得到相应的控制量U去控制生产过程。3模糊控制系统的MATLAB仿真为了验证模糊控制器在钢水液位控制系统中的使用效果,同时为了在仿真过程中及时调整模糊控制器的控制规则和各项参数,我们利用MATLAB软件进行了仿真研究。在仿真过程中对于执行器和被控对象,近似等效为带滞后的二阶惯性环节。在进行MATLAB仿真时,首先在模糊逻辑工具箱的图形用户界面（GUI）下建立上述的模糊控制器,然后在SIMULINK环境下,选择所需的模块,建立系统仿真模型进行仿真。图2是选取大小为0.3的常值信号作为系统的设定输入,选取阶跃信号对系统作定值扰动时的仿真曲线。从图中可以明显看出模糊控制具有较好的动态性能和抗干扰能力,不但有较短的响应时间,而且超调量小。4结束语用MATLAB软件进行模糊控制器的仿真是一种直观而且简便的方法,它可以大大缩短模糊控制器的设计周期。从钢水液位控制系统的仿真情况来看,模糊控制的快速性、跟踪性能和定位准确性比传统PID控制时有较大的改善。在实际应用中,还需要根据现场运行情况的变化对模糊查询表进行不断修正,以获得更佳的控制效果。实验一液位控制实验一．实验目的1．将仿真系统和实物系统进行对比研究，掌握控制系统的结构和特性，建立起更清晰的控制系统的概念。2．掌握PID算法在MATLABsimulink中的使用方法。3.掌握通过调节阀控制液位高度的原理和操作.二．实验说明实验装置采用兰州理工大学自动化系紧凑型FESTO液位控制系统。FESTO液位控制系统如图1所示，液位控制单元流程图如图2所示。图2中，被控对象为B102，被控参数为B102的水位。执行器为水泵P101，测量变送器为模拟式超声波液位传感器，调节器为电机调速器。水泵将水箱B101里的蒸馏水送到B102，水箱B102的水在重力作用下流到水箱B101，为保持水箱B102的水位在设定值，水箱B102上方的超声波液位传感器测得水箱B102水位，并将水位信号传到控制器。实验过程中由WinCC软件负责测量和记录水位高度数据和控制器控制信号，并将数据通过DDE传到MATLAB中进行运算。图1PCS实验装置图图2液位控制示意图该控制逻辑是一个经典的单回路液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位高度，即控制的任务是控制液位高度等于给定值所要求的大小。采用PID控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。三．实验内容1．在MATLAB中Simulink文件中编写程序，实现液位控制在某一给定值上。四．实验步骤1.使控制器处于“手动”操作。2.由DDE采集阶跃响应数据,并实时传送给matlab。3.matlab在获得数据后，利用m文件或simulink把控制结果计算出来并通过DDE传给执行器。4.对控制器或调节器进行工作量设定(设定SP、P、I、D值)，并记录控制曲线。暂时设定积分参数I=9999(一个很大的值，表示取消积分)，D=0。5.改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。6、对控制器或调节器进行工作量设定，把比例控制，微分控制取消，直接积分控制。7、改变给定值和PID参数，再次记录控制曲线。8、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备。五、实验结果1.通过抓图方法，提交获得的曲线。2.根据曲线，分析P、PI和PID控制大致具有哪些趋势特征。2006年4月第42卷第2期北京师范大学学报(自然科学版JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScienceApr.2006Vol.42No.2双容水箱上的几种液位控制实验及3被控对象的数学模型王志新1,3谷云东2王加银1宋雯彦1(1北京师范大学数学科学学院;2北京师范大学管理学院:100875,北京;3中国青年政治学院,100089,北京摘要,,并用.关键词;分类号O232液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题,例如在饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制[122].在实际生产中,通常采用系统辨识的方法,用一阶纯滞后系统来逼近复杂的实际系统,建立一个简化的数学模型[3].然而对于一些控制精度要求较高的场合,例如核电站的蒸汽生成器中的液位控制问题等[4],需要建立较精确的数学模型,以提高控制的精度[5210].本文针对实际生产系统中的液体罐装容器的液位控制问题,借助双容水箱液位控制实验仪的实物系统装置,面向不同的实际背景,设计了几种典型控制实验,并用机理分析法分别建立了被控对象的较精确的数学模型,最后对上述系统中被控对象的能控性和能观性进行了分析.1双容水箱液位控制实验仪实物系统装置介绍如图1所示,双容水箱液位控制实验仪主要由2个柱形水箱,1个蓄水箱,2个抽水泵,2个出水口和5个比例控制阀门组成,其中柱形水箱分别设有进水和出水阀门,并且2水箱之间有连接阀.蓄水箱中有2个出水口,分别与水泵1和水泵2相连.在实验过程中,蓄水箱中的水被泵1、泵2抽出后分别经过比例阀1、比例阀2进入柱形水箱1和柱形水箱2,然后分别通过各自的出水阀门(比例阀3和比例阀4流回蓄水箱中.2个柱形水箱的进水流量和出水流量可分别由4个比例阀门进行调节.特别地,2个柱形水箱之间设有比例连接阀,通过调节连接阀的开图1双容水箱液位控制实验仪系统结构3国家“九七三”重大基础研究计划资助项目(2002CB312200;教育部科学技术重点资助项目(03184;教育部博士点基金资助项目(20027013;国家自然科学基金资助项目(60474023通讯作者收稿日期:2005209202第2期王志新等:双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模型127度大小可以改变2个柱形水箱之间的水流量.某时刻的水箱入水流量Qin,Qout是被控对象的干扰.容易看出,某时刻进水流量与出水流量之差等于水箱内液体体积的变化率,即c2双容水箱液位控制实验的实验设计及被控对象的数学模型根据实际问题的不同需要,可以借助双容水箱液位控制实验仪完成多项控制实验.例如随机出水的单水箱供液系统液位控制实验、随机入水的单水箱排液系统液位控制实验以及单一入水的双水箱供(排液系统液位控制实验等.下面根据实际工业生产过程的需要,设计几种不同的液位控制实验方案,并分别给出其被控对象的数学模型.2.1,贮液缸内液位的变化会直接影响到机器的正常运转和机器的生产能力,以至影响啤酒的质量和产量,因此需要适当调节送液阀开度来维持液位高度,以保证生产的正常运转[11].这些不同背景的实际问题都可看作是随机出水的单水箱供液系统液位控制问题.为此,设计了如下随机出水的单水箱供液系统液位控制实验.实验系统的结构如图2所示.它由双容水箱实验仪的一个水箱,一个液位传感器,一个出水阀门,一个入水阀门以及作为控制器的计算机组成.该实验系统的被控对象是装有入水阀门和出水阀门的单容水箱,被控量是液位.控制器根据液位传感器检测的液位信号与设定值之间的偏差发出调控信号,调节入水阀门的开度,从而调整水箱入水量,使得液位保持在设定值.实验内容是设计合适的控制器,在出水存在干扰的情况下,调节入水流量,使得液位维持在一个设定值.=Qin-Qout.dt(1这样,我们便得到了随机出水的单容水箱供液系统的数学模型.2.2随机入水的单水箱排液系统液位控制实验及其被控对象的数学模型,例,流入蓄水[12].这些实际问题可看作是随机入水的单水箱排液系统液位控制问题.为此,设计了如下随机入水单水箱排液系统液位控制实验.实验系统的结构与图2相同.实验研究入水阀门处有干扰信号的单水箱液位控制问题.实验系统的被控对象是一个装有入水阀门和出水阀门的一个水箱,被控量是液位.控制器根据传感器检测的液位信号与设定值之间的偏差发出调控信号,调节出水阀门的开度,改变出水的流量,从而调整水箱液位高度,使得水箱的液位保持在一个设定的值.实验内容是设计合适的控制器,使得在入水存在干扰的情况下,调节出水流量,使得水箱的液位保持设定值.下面建立被控对象的数学模型.首先,选定状态变量为液位高度H,输入变量为出水阀门处的电压U,Qin是系统的干扰信号.然后,对于水箱的情况进行分析.参见2.1节实验的分析可得式(1.接下来选择入水截面1和出水截面2之间的水流体作为分析对象,根据流体力学分析中常用的伯努利方程[13]2Δz++hf=0,+gρ2(2也就是入水截面与出水截面之间的流体的动能、位能和压力能应该是守恒的.Δv2是入水截面水流速度vin的平方与出水截面水流速度vout的平方之差,Δz是入水截面与出水截面之间的高度差,Δp是入水截面与出水截面之间的压力差,hf表示水头的损失(也称为阻力损失,在这里hf=ξ22.式中的ξ是局部阻力损失系数,对于确定的管道和固定开度的阀门,可以取一个常数.在容器液面高度变化缓慢时,在每个微小的时图2单水箱液位控制实验系统结构间间隔内,可以应用动量守恒公式,A1vin=A2vout,由于入水截面面积A1µ出水截面面积A2,vin可被忽略.那么,整理可得vout=kH.下面建立该实验中被控对象的数学模型.设某时刻的水箱的进出水流量分别为Qin和Qout,水箱的液位高度记为H,c表示水箱的横截面积.首先,选定状态变量为液位高度H,输入变量为又由出水阀门是一个比例阀门,则出水阀流量Qout可128北京师范大学学报(自然科学版第42卷以表示为Qout=αUH,的阀门节流系数,U0和U1分别表示在阀0和阀1上施加的电压,k表示阀2的阀门系数.首先,选定状态变量为水箱1和水箱2液位高度H1和H2,输入变量为在阀0和阀1上施加的电压U0其中U表示施加在出水阀门上的电压,α是阀门节流系数,在阀门的线性区域,α是一个常系数.这样一来,随机入水单水箱排液系统液位控制实验被控对象的数学模型可以写作c和U1,Qin为系统的干扰信号.参照实验2.2单容水箱排液系统的分析可得水箱1的数学模型为c1=Qin-αUdtH.(32.3单一入水的双水箱排液系统液位控制实验及其=Qin-α1U1dtU0H1-α0U0H1-H2,(4被控对象的数学模型在实际排液系统中,在用水流量比较大的情况下,系统需要再添加一个储水箱,用以平抑液位的变化.系统结构图如图3所示.2c2H1-H2-k2.(5,我们设计了3种不同的液位控制实验,并分别建立了被控对象的数学模型.3双容水箱实验系统的能控能观性分析如果在一个有限的时间间隔内施加一个无约束的控制向量,使得系统由初始状态X(t0转移到任意状态,则称该系统在时刻t0是能控的.如果每一个状态都能控,则称该系统为状态完全能控的.如果系统的状态X(t0在有限的时间间隔内可由输出的观测值确定,那么称系统在t0时刻是能观的.如果每一个状态都能观,则称该系统为状态完全能观的[14].下面分析上述单水箱实验系统的能控性和能观性.不失一般性,设置终止状态为状态空间原点,并设初始时刻为零.对于随机出水的单水箱供液系统来说,不考虑系统的输入干扰信号,根据式(1可得c图3双水箱液位控制实验系统结构实验系统由双容水箱实验仪的2个有入水阀门和出水阀门的连通水箱,2个传感器,以及作为控制器的微机组成.实验研究的问题是单一入水干扰的双容水箱液位控制问题.实验系统的被控对象是两个连通的水箱,被控量是2个液位.控制器根据传感器检测的液位信号与设定值之间的偏差发出调控信号,调整出水阀门(阀1的开度和水箱连接阀(阀0的开度,从而调整水箱1出水流量和水箱之间的流量,使得2个水箱保持一定的液位,此时水箱1的入水有干扰信号,水箱2入水阀关闭且水箱2出水阀关闭或保持适当的开度不变.实验内容是在水箱1的入水有干扰的情况下,设计合适的控制策略调整水箱1的出水流量和水箱之间的流量,使得水箱中的液位维持在设定值.下面建立被控对象的数学模型.设定H1和H2为水箱1和水箱2的液位高度,Qin为水箱1的入水流量,Qout1和Qout2分别为水箱1和水箱2的出水流量,Q0表示由水箱1流入水箱2的流量,c1,c2分别表示水箱1和水箱2的横截面积,α0和α1分别表示阀0和阀1=Qin.dt容易看出,无干扰的随机出水的单水箱供液系统的无约束控制量Qin可以使得系统在有限的时间间隔内由任意的状态转移到状态空间原点.对于随机入水的单水箱排液系统,不考虑系统的输入干扰信号,根据式(3可得c=-αUdtH,公式两边积分可得2H(0=αU(tdt.∫t0(6可见,无干扰的随机入水的单水箱排液系统的无约束控制量u(t可以使得系统在有限的时间间隔内由任意的状态转移到状态空间原点.由于增加外扰信号不改变系统的能控性[14],所以随机出水的单水箱供液系统和随机入水的单水箱排液系统都是能控的.进一步,选择系统的输出就是水箱液位高度的变化量,即状态向量,则上述系统都是能观的.第2期王志新等:双容水箱上的几种液位控制实验及被控对象的数学模型129为了分析单一入水的双水箱排液系统的能控性和能观性,我们将水箱模型进行线性化.在系统稳态工作点(Qin,H1,H2,U1,U0处,水箱1的线性化方程为c1=Qin+qin-αH1U1-1dtα2H1H1+Q0=-α22H1-H2+α0H1-H2U0+αH1-H2(H1-H2.α2U1-Q0,水箱2的线性化方程为c2注意到液阻的定义:设有一液流,流过连接2个液体容器的管路,则管路上的阀门等节流部件的液阻定义为,产生单位流量变化所需的液位差变化.令R0表示水箱1和水箱2之间连接阀门的液阻,R1和R2分别表示出水阀门1和阀门2的液阻,则R0=Q0-kdtH2-2.H21,R2=.01k0U其中,qin表示入水处的微小流量变化,Q0工作点附近水箱1c1c2,则单一入水的双水箱排:H1-H2--H2-α+R0.R2=Qin+qin1dt=α0U0dtH1-H2+H1α2--α0U0R12,(7α-R022由此,单一入水的双水箱排液系统的线性化状态方程可以写作X=AX+BU的形式:-R1R0R01-αH1-αH1-H2HH1101-1-1H=CqinU1+UR0-R0RH+C00α0H1-H2αC-12-U1+α2H1-H2+Qin.(8αH1-H2-22关于单一入水的双水箱排液系统的能控能观性,我们有如下的结论:命题1对单一入水的双水箱排液系统,设其状态变量X(t为某时刻2个水箱液位高度H1和H2,控制量U(t为施加在水箱1出水阀门处的电压U1和水箱之间阀门处的电压U0,水箱1的入水流量Qin是该系统的干扰,输出变量Y(t为两个水箱液位高度y1和y2,则该系统是能控且能观的.证根据被控对象的状态方程(8,可令M=[B|AB],即(+α-αH1-αH1-H2αH1(+1010R1R0R1R0M=H1-H2.H1-H2(9α0H1-H2-αR0α-(+0R2R0容易验证,矩阵M的秩是2,是满秩矩阵.由能控性判据可知系统是能控的.令N=[CCA]T,容易验证,矩阵N的秩是2,即N是满秩矩阵.由能观性判据可知系统是能观的.证毕.验的设计分析提供了基础,可用于测试由各种不同蕴含算子[15218]构造的控制算法在上述几种液位控制实验中的控制品质.5参考文献[1]HortonEC,FoleyMW,KwokKE.Performanceassessmentoflevelcontrollers[J].InternationalJournalofAdaptiveControlandSignalProcessing,2003,17:663[2]HaizhouPan,HongWong,VikramKapila,etal.Experimentalvalidationofanonlinearbacksteppingliquidcontrollerforastatecoupledtwotanksystem[J].ControlEnginerringPractice,2005,13:274小结本文根据生产加工过程中的实际背景,设计了随机出水的单水箱供液系统,随机入水的单水箱排液系统以及单一入水的双水箱排液系统等典型的液位控制实验,分别建立了被控对象的数学模型.随后,证明了这些实验系统的能控能观性.上述工作为控制仿真实130北京师范大学学报(自然科学版第42卷[3]徐辉,郭贻作.液位控制技术在尾矿输送中的应用[J].[11]王冬梅,李玉成.啤酒灌装机贮液缸内液位控制[J].包有色金属,1998,50(2:45[4]NanjuNa,KeechoonKwon,ChangshikHam,etal.AstudyonwaterlevelcontrolofPWRsteamgeneratoratlowpowerandtheself2tuningofitsfuzzycontroller[J].FuzzySetsandSystems,1995,74:43[5]李洪兴,王加银.N级倒立摆系统建模[J].模糊系统与装与食品机械,2000,18(4:12[12]郭暹凤.液位压力连锁自动排水控制系统的改进[J].西部探矿工程,2001(增刊:338[13]闻德荪.工程流体力学(水利学[M].北京:高等教育出版社,2004[14]KatsuhikoOgata.现代控制工程[M].北京:电子工业数学,2002,16:251[6]李洪兴.模糊控制的插值机理[J].中国科学:E辑,1998,28(3:259[7]李洪兴,苗志宏,王加银.四级倒立摆的变论域自适应出版社,2003[J].[15]尤飞,冯艳宾,李洪兴.模糊蕴涵算子及其构造(Ⅰ北京师范大学学报:,2003,39(5:606.模糊蕴涵算子及其构造(Ⅱ自然科学版,2004,40(2:]尤飞,杨昔阳,李洪兴.模糊蕴涵算子及其构造(Ⅲ[J].北京师范大学学报:自然科学版,2004,40(4:427—[18]尤飞,李洪兴.模糊蕴含算子及其构造(Ⅳ——模糊蕴模糊控制[J].中国科学:E辑,2002,32(1:65[8]李洪兴,王加银,苗志宏.].科学:A辑,2002,32(9[9]李洪兴,王加银,缘线性化方法[J].,2003,13(5:466[10]李洪兴,变论域自适应模糊控制器[J].中国科学:E含算子的对偶算子[J].北京师范大学学报:自然科学版,2004,40(5:588辑,1999,29(1:32SEVERALLEVELCONTROLEXPERIMENTSONDOUBLE2TANKSYSTEMANDTHEMODELINGOFTHESEPLANTSWangZhixin1,3GuYundong2WangJiayin1SongWenyan13ComputerCenter,ChinaYouthCollegeforPoliticalSciences,100089,Beijing,China(1SchoolofMathematicalSciences;2SchoolofManagement:BeijingNormalUniversity,100875,Beijing,China;AbstractThehardwaresystemofdoublecoupledwatertanksisintroduced.Severallevelcontrolexperimentsaredesignedinviewofdifferentapplications.Themathematicalmodelsonhardwaresystemofdoublecoupledwatertanksundercontrolaregiven.Thecontrollabilityandobservabilityofthesystemareverified.Keywordslevelcontrol;systemmodeling;controllability;observability本科毕业设计论文题目双容水箱液位串级控制系统设计专业名称自动化学生姓名凸凸指导教师00000000000毕业时间2021.6设计论文毕业任务书一、题目双容水箱液位串级控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化专业知识和理论加深理解，掌握自动控制原理以及过程控制系统和仿真的基本方法。要求毕业设计中：1、建立系统数学模型2、设计双容水箱液位单回路反馈控制系统，采用PID控制并进行仿真以及参数整定。3、设计双容水箱液位串级控制系统。先对未加校正的串级控制进行仿真，然后在串级控制加入控制规律，进行仿真以及参数整定，并与之前未校正的串级控制以及单回路反馈控制系统进行比较。三、主要技术指标1、超调量≤5%2、稳定时间＜30S3、稳态误差=0四、进度和要求1、1-3周：收集查阅资料；2、4-6周：完成总体方案设计和建模；3、7-8周：完成系统分析和控制规律设计；4、9-11周：完成仿真验证及修改；5、12-13周：完成毕业设计论文.五、主要参考书及参考资料[1]王再英,刘怀霞.过程控制系统与仪表[M].北京：人民邮电出版社,2003.6[2]胡兵.过程控制[M].上海：机械工程出版社,2004.8[3]胡寿松.自动控制原理[M].北京:机械工程出版社,2007.6[4]卢京潮.自动控制原理[M].北京：人民邮电出版社,2021.8[5]刘永信，陈志梅.现代控制理论[M].北京:北京大学出版社,2006.9学生凸凸指导教师系主任___________

摘要过程控制是自动化技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量、等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水进水，如果排水或者进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精馏塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。建立了串级液位控制算法。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是要想取得良好的控制效果，必须合理的确定PID的控制参数，使之具有合理的数学模型。本次毕业设计的主题主要是基于matlab\simulink的液位控制系统的设计，控制对象为水箱液位，而通过matlab软件来模拟仿真。液位控制在现代工业中占有重要的分量，它对生产的影响不容忽视，为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效的控制是非常必要的。关键词：液位控制，PID控制，串级控制，matlab\simulinkABSTRACTProcesscontrolisanimportantapplicationfieldofautomatictechnology,itistopointtothelevel,temperature,flowcontrolprocessvariables,suchasinmetallurgy,machinery,chemical,electricpower,etccanbewidelyused.Especiallyliquidlevelcontroltechnologyinreallife,playedanimportantroleinproduction,forexample,thewatersupply,civilwatertoweriflowwaterlevels,canaffectpeople’slivesinwater;Industricalenterprisewithwater,ifthedrainagewaterdrainageorcontrolledproperlyornot,inrelationtotheworkshopofcondition;Boilerdrum,ifthecontrollevelboileristoolow,canmakelevelboileroverheating,possibleaccident;Jingflow,liquidlevelcontroltowercontrolaccuracyandlevelofthecraftcaninfluencethequalityoftheproductsandthecost,etc.Intheseproductionfield,arebasicallylaborstrengthortheoperationhascertainrisknatureofwork,extremelypronetoaccidentscausedbyoperatingerror,thelosses,killingmanufacturer,Visible,inactualproduction,liquidlevelcontrolaccuracyandcontroleffectsdirectlyaffectthefactoryproductioncostandeconomicbenefitofsafetycoefficient.Evenequipmentso,inordertoensuresafety,convenientoperation,youhavetoresearchthedevelopmentofadvancedlevelcontrolmethodsandstrategies.Inthedesignofthetankasaresearchobjectinliquidlevelcontrolsystem,amountofliquidlevelinthetanktobecontrolled,selectedtheoutletvalvebodiesintheimplementationofacontrolsystem.EstablishmentofthePIDcontrolalgorithmofliquidlevel.AlthoughthePIDcontrolisoneofthemostwidelyusedincontrolsystemscontrolalgorithms.Buttogetgoodcontrolofeffects,thedeterminationofPIDcontrolparametersmustbereasonable,sothatithasareasonablemathematicalmodel.Thegraduationdesigntopicistheliquidlevelcontrolsystembasedonmatlab\simulinkcontrol.Amongthemwascontrolledobjectfortanklevel,matlabismainlyusedinthesimulationtest.Inmodernindustrylevelcontrolofimportantcomponent,itinfluenceuponproductionnotallowtoignore,inordertoensuresafetyinproductionandtheproductqualityandquantity,thelevelandperformeffectivecontrolisverynecessary.KEYWORDS：liquidlevelcontrol,PIDcontrol，cascadecontrol,matlab\simulink目录第一章绪论11.1选题背景及意义11.2国内外研究现状2过程控制的特点2液位控制系统的发展现状2液位控制的前景31.3本文研究内容4第二章建立系统数学模型52.1数学建模的基本概念52.2数学建模的过程52.3数学建模的建立方法6机理法62.4双容水箱数学模型的建立6单容水箱数学模型的建立6双容水箱数学模型的建立72.5确定被控参数及控制变量8第三章液位控制系统方案设计103.1单回路闭环控制系统设计103.2控制系统的PID参数整定103.3串级控制系统设计12串级控制系统的设计思想12主副调节器调节规律的选择133.4串级控制系统的参数整定14第四章控制系统的仿真164.1单回路控制系统的仿真164.2串级控制系统的仿真214.2.1无调节模块的串级控制系统21加入调节模块的串级控制系统224.3单回路控制系统和串级控制系统的比较23第五章全文总结25参考文献26致谢27毕业设计小结28

第一章绪论1.1选题背景及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，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。1.2国内外研究现状1.2.1过程控制的特点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。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。1.2.2液位控制系统的发展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