双容水箱液位串级控制系统的设计.doc

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1、控制系统仿真课程大作业题目： 双容水箱液位串级控制系统的设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 评语：成 绩：任课教师：时 间：word文档 可自由编辑摘 要本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用MATLAB仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块MCG

2、S组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词：液位；模型；PID控制；MATLAB仿真；计算机过程控制系统目 录摘 要21 概述41.1 过程控制介绍41.2 液位串级控制系统介绍41.3 MATLAB软件介绍41.4 MCGS组态软件介绍52 被控对象建模52.1水箱模型分析52.2阶跃响应曲线法建立模型63 系统控制方案设计与仿真103.1 PID控制原理103.2系统控制方案设计113.2 控制系统仿真124 建立仪表和计算机过程控制系统16结 论17参 考 文 献181 概述1.1 过程控制介绍过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了

3、被控对象检测与执行装置外）。1过程计算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器时钟电路内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分。（2）包括各种控制开关数字键功能键指示灯声讯器和数字显示器等的（3）通用外围设备包括打印机记录仪图形显示器闪存等，它们用来显示存储打印记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。2过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集滤波程序控制量计算程序生产过程监控程序），应用软件的优劣将影

4、响到控制系统的功能精度和效率。1.2 液位串级控制系统介绍在液位串级控制系统的设计中采用传统的串级PID控制的方法，利用智能调节仪表数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。 在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。1.3 MATLAB软件介绍MATLAB系统由五个主要部分组成：(1)MATALB语言体系：MATLAB是高层次的矩阵数组语言具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规

5、模编程，开发复杂的应用程序。 (2)MATLAB工作环境：这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。 (3)图形图像系统：这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。 (4)MATLAB数学函数库：这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB应用程序接口

6、(API)：这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。 1.4 MCGS组态软件介绍MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。利用MCGS软件组建工程的过程简介：工程项目系统分析；工程立项搭建框架；设计菜单基本体系；制作动画显示画面；编写控制流程程序；完善菜单按钮功能；编写程序调试工程；连接设备驱动程序；工程完工综合测试。2 被控对象建模在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测

7、定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：;下水箱尺寸为：，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。2.1 水箱模型分析Q112Q2Ah 图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程

8、。若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡，； 在静态时，；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简便起见，做线性化处理得，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为：注：Q1 Q2h:分别为偏离某一个平衡状态Q10Q20h0的增量；R2:阀2的阻力；A:水箱截面积；T:液位过程的时间常数；K:液位过程的放大系数；C:液位过程容量系数2.2 阶跃响应曲线法建立模型在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号

9、后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。 控制进水量供水施加阶跃输入信号阶跃响应输出电动磁力泵电动调节阀上水箱/下水箱 图2.2 水箱模型测定原理图 1根据阶跃响应参数(间隔30s采集数据)求取上水箱模型传递函数在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令： x=0:30:420； y=0 6.88 11.63 15.07 17.7 19.69 21.15 21.94 22.55 23.44 23.63 23.84 24.14 24.25 24.27 ； p=polyfit(x,

10、y,4)； xi=0:3:420； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。 在MATLAB中绘出曲线如下：图2.3上水箱拟合曲线注：图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。数据点与曲线基本拟合。如图所示，利用四阶多项式近似拟合上水箱的响应曲线，得多项式的表达式： 根据曲线采用切线作图法计算上水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T。而斜率K为P(t)在t=0的导数P(0)= 0.24707,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的

11、值为T。图2.4上水箱模型计算曲线阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值与阶跃扰动值之比，所以上水箱传递函数为 2根据阶跃响应参数(间隔30s采集数据)求取下水箱模型传递函数 在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：x=0: 30:1650；y=0 3.17 6.26 9.51 12.54 15.5 18.4 20.77 22.98 25.05 26.85 28.86 30.59 32.32 33.69 35.16 36.42 37.74 39.02 40.09 41.16 42.02 42.94 43.47 44.43 45.17 45.81 46.4146.99 47.

12、4 47.79 48.24 48.77 49.17 49.34 49.65 49.91 50.37 50.82 51.04 51.51 51.78 52.06 52.31 52.39 52.59 52.63 52.92 53.18 53.26 53.3 53.36 53.54 53.64 53.8 53.8；p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:1650； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。在MATLAB中绘出曲线如下：图2.5下水箱拟合曲线注：图中曲线为拟合曲线，圆点为原数据点。数据点与曲线基本拟合。如图所示，利用四阶多项式近似拟合下水

13、箱的响应曲线，得多项式的表达 式： 根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x(t)产生阶跃的瞬间，即t=0时，其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T.而斜率K为P(t)在t=0的导数P(0)=0.12175,以此做切线交稳态值于A点,A点映射在t轴上的B点的值为T。图2.6下水箱模型计算曲线阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值与阶跃扰动值之比，所以下水箱传递函数为。在实验建模的过程中，实验测取的被控对象为广义的被控对象，其动态特性包括了调节阀和测量变送器，即广义被控对象的传递函数为为调节阀的传递函数

14、，为测量变送器的传递函数。3 系统控制方案设计与仿真3.1 PID控制原理在工程实际中，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。y(t)+r(t) 比例P积分I微分D被控对象图3.1 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：。PID控制规律为：或以传递函数形式表示：式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器参数整定运用临界比例法：在闭合控制系统中，把

15、调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度k和临界振荡周期Tk。根据以下经验公式计算调节器参数： 调节器参数控制规律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk表3.1临界振荡整定计算公式3.2 系统控制方案设计1控制系统性能指标静态偏差；衰减率：一般衰减率在0.75-0.9；超调量；调节时间：从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5%+5%范围所需的时间。2方案设计设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成，每一个回路又有自己的调节器和控制

16、对象。主回路中的调节器称主调节器，控制主对象。副回路中的调节器称副调节器，控制副对象。主调节器有自己独立的设定值R，他的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数c2.通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统，将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值，实现无差调节，并且使系统具有良好的动态性能，较块的响应速度。当有扰动f1(t)作用于副对象时，副调节器能在扰动影响主控参数之前动作，及时克服进入副回路的各种二次扰动，当扰动f2(t)作用于主对象时，由于副回路的存在也应使系统的响应加快，使主回路控制作用加强。m2m1e1c1扰动f1(t)e2设定值R

17、c2扰动f2(t)主调节器副调节器执行器副对象主对象测量与 变送器2测量与 变送器1图3.2串级控制系统框图3.3 控制系统仿真通过MATLAB中的SIMULINK工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线，以控制框图代替了程序的编写，只需要选择合适仿真设备，添加传递函数，设置仿真参数。下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真，以模拟实际中的阶跃响应曲线，考察串级系统的设计方案是否合理。 1.阶跃响应性能图3.3 SIMULINK仿真框图 通过手动切换开关（Manual Switch）可以实现副回路的引入与切除，以了解副回路对控制性能的影响,比较串级控制和非串级控制对双容水箱液位的

18、控制能力。在时间为0时对系统加入大小为30的阶跃信号，设置主控制器PID参数KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P参数为KP=50，在初始点加40点阶跃输入量观察阶跃响应曲线。图3.4 MATLAB加入副回路仿真曲线图图3.5 MATLAB不加入副回路仿真曲线 图3.4为加入副回路时的仿真曲线：图3.5为切除副回路时的仿真曲线.由3.4和3.5两图对比可见，引入副回路组成双容水箱液位串级控制系统后动态特性比不加入副回路的控制系统有了很大的改善，提高了系统的工作频率，对被控对象的调节能力更强。 2.抗扰动能力 维持初始阶跃信号不变，并在副回路中加入扰动信号，观察响应曲线. 在400s经过

19、惯性环节向副回路加入阶跃值为70的扰动信号。控制器参数不变。图3.6 SIMULINK仿真框图图3.7 MATLAB加入副回路仿真曲线图3.8 MATLAB不加入副回路仿真曲线 图3.7为加入副回路时的仿真曲线：图3.8为切除副回路时的仿真曲线.由图3.7和图3.8对比可见，引入副回路组成双容水箱液位串级控制系统后能够很好的克服进入副回路的扰动,及时消除扰动对主参数的影响.在克服二次扰动方面串级控制比不加副回路的非串级控制好。综上所述,选择串级PID控制的设计方案完成对水箱液位的控制调节应当是可行的.而且在改善系统的动态特性、抗扰动能力等方面与非串级控制系统是较为有效的。但是仿真曲线只是在计算

20、机上通过对实际系统仿真得到的较理想的模拟曲线.实际系统设计现场必须综合考虑各方面的因素,不可能得到与计算机仿真一致的理想曲线和控制性能。4 建立仪表和计算机过程控制系统1.仪表系统包含：检测变送装置；执行机构；控制器。仪表控制系统电路设计：通过三相380V/10A交流电源向三相磁力泵和220/5A交流电源向调节仪表供电。压力变送器测定的下水箱液位值（电压反馈信号）送到主调节器(智能调节仪1)输入端。调节器的给定值可由仪表控制面板或MCGS监控界面设定，与反馈信号相比较后输出调节信号。由于其输出的信号为420mA的电流信号，需要经I/V转换电路转化为15V电压信号送到副调节仪的输入端，与压力变送

21、器测定的上水箱液位值（电压反馈信号）相比较后，输出420mA的电流信号到电动调节阀控制信号输入端，控制电动调节阀的开度，消除下水箱液位的测量值与给定值的偏差。 2.计算机系统包含：信号采集；模拟量输入通道；模拟量输出通道3.通过MCGS组态软件在控制计算机上构建一个人机交互界面，经过RS232/485转换器实现计算机与数据采集模块的通讯，将检测变送装置的信号传送到控制计算机中，从而在人机交互界面中可以对水箱液位对象进行监控控制器设计改造数据浏览和存储记录实验曲线等。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工

22、作，具有不同的特性。 数字PID结构图：输出值Cf1(t)e i2e i1给定值RPIDPPD/AP调节阀P上水箱P下水箱P测量与 变 送 器1A/DA/D测量与 变送器2f2(t) 图4.1数字PID控制结构图 由于双容水箱液位控制系统中执行机构采用电动式调节阀,控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,在远程数据采集系统中采用上述形式的数字PID位置式控制算法。在MCGS组态环境的用户窗口中添加控制程序,实现PID算法。 结 论通过本次设计，我将书本上学过的知识（自动控制原理、过程控制原理、微机控制技术等）应用于实际控制系统的组建之中，在实际的工程实践中，我受益非浅，学习到了许多新的知识

23、，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对自动控制的理解上升到一个新的台阶。在设计中使用了MATLAB软件，利用这个软件可以对控制系统进行分析和建模。特别是利用SIMULINK工具箱可以便捷地对不同的控制系统进行仿真，通过对PID控制的仿真，可以清楚的比较不同控制方案的优劣，对在设计控制系统可能出现的问题在计算机中进行模拟，使对系统的设计方案更加明确。在组建计算机控制系统中使用了MCGS组态软件，利用这个软件可以轻松的建立起计算机控制界面，完成控制系统的计算机控制、数据交换、曲线输出、实时监测、报警设置、动画显示等功能，同时提供广泛的扩展工具，便利实现系统设计和组建。在实际的工作岗位上，将要设计不同的控制系统，工业现场的过程控制系统不同于实验室中的控制系统的设计，更不同于书本中的理论和公式，要根据工业生产的实际情况进行设计。参 考 文 献1胡寿松 自动控制原理 科学出版社 2001.22邵裕森 过程控制工程 机械工业出版社 2004.13郑阿奇 MATLAB实用教程电子工业出版社2005.14刘金琨 先进PID控制及MALAB仿真电子工业出版社2004.95MCGS初级教程 北京昆仑通态自动化有限公司 2004word文档 可自由编辑