基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计(毕业设计)

毕业设计 (论文)

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课题基于MATLAB的三容水箱液位串级

控制系统的设计

基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计

指导老师：孙虹

摘要

液位是工业生产过程中重要的被控量之一，因而液位控制的研究具有很大的现实意义。水箱的液位控制对石油、冶金、化工等行业来说必不可少。本论文的目的是设计三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，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。然后，根据被控对象模型和被控过程特性并加入PID调节器设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。同时，通过对实际控制的结果进行比较，验证了串级控制对提高系统性能的作用。随着计算机控制技术的迅速发展，组态技术开始得到重视与运用,它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据控制对象和控制目的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

关键词：液位，串级控制，PID调节器,系统仿真

Abstract

Liquid level is one of important controlled variables in industrial process, so research on it has great realistic significance.The purpose of this thesis is to design the liquid level's cascade control system of the three-tank.This design makes full use of the automatic indicator technique ﹑the computer technique﹑the communication technique and the automatic control technique in order to realize cascade control of water tank's liquid.First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I design the cascade control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system and design the cascade control system ，according to the model of controlled object and characteristic of controlled progress,jioning the modulator of PID.In the meantime,by comparing the control system functions,I validate the effects of cascade control system on accelerating system performance.As computer control technology develops at a high speed, configuration technology is regarded and used, which can solve so many problems of traditional industrial control software that users can configure at will to finish their automatic projects according to their object and goal.

Keywords：liquid level，cascade control ,PID modulator，system simulation.

目录

1绪论 (1)

1.1过程控制概述 (1)

1.1.1过程控制的特点 (1)

1.1.2工业过程控制的发展概况 (2)

1.1.3过程计算机控制系统 (2)

1.2液位串级控制系统概述 (4)

1.2.1串级控制系统基本概念即组成结构 (4)

1.2.2 系统特点及分析 (4)

1.3 MATLAB软件介绍 (5)

1.3.1 MATLAB系统组成 (5)

1.3.2 基于MATLAB的数值处理 (6)

2被控对象建模 (7)

2.1 试验法简介 (7)

2.2 实验步骤介绍 (8)

2.3 水箱数据采集方法介绍： (9)

2.3.1 上水箱阶跃响应参数测定： (9)

2.3.2 中水箱阶跃响应参数测定： (9)

2.3.3下水箱阶跃响应参数测定： (10)

2.4 数据拟合与水箱传递函数求取 (10)

2.4.1求取上水箱模型传递函数 (10)

2.4.2求取中水箱模型传递函数 (12)

2.4.3求取下水箱模型传递函数 (13)

3 控制系统设计及仿真 (16)

3.1 控制系统的选择 (16)

3.2 PID控制简介 (17)

3.2.1 比例（P）控制 (17)

3.2.2 积分（I）控制 (18)

3.2.3 微分（D）控制 (18)

3.3 PID控制器参数整定 (18)

4.控制系统仿真 (20)

4.1 阶跃响应性能 (20)

4.1.1 加入副回路的仿真 (20)

4.1.2 去除副回路的仿真 (21)

4.2 加入扰动 (22)

5.过程仪表控制与计算机控制 (25)

5.1 仪表控制系统概述 (25)

5.2 过程仪表介绍 (25)

5.2.1 检测部分 (25)

5.2.2 执行机构 (26)

5.2.3 控制器 (27)

5.3 计算机过程控制系统 (28)

5.3.1 远程计算机控制系统概述 (28)

5.3.2 MCGS组态软件概述 (28)

5.3.2 MCGS组态软件的特点 (29)

5.4 计算机控制与过程仪表控制比较 (30)

6结论 (32)

致谢 (33)

参考文献 (34)

附录：英文资料及译文 (35)

1. 英文资料 (35)

2. 译文 (43)

1绪论

1.1过程控制概述

1.1.1过程控制的特点

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测仪表两部分组成的。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。过程控制有以下特点：

（1）它是连续生产过程的自动控制。过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。

（2）被控过程是多种多样、非电量的。在现代工业生产中。工业控制很复杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品多种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线形特性。有些机理复杂的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前过程辨识方法建立精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制并非易事。

（3）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。由于被控过程具有大惯性、大滞后（大时延）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。

（4）过程控制方案十分丰富。随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂对控制过程的要求越来越高。过程控制的系统设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线形等等。

（5）定值控制是过程控制的一种常用形式。在石油、化工、电力、冶金等现代工业生产中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在该值上，使工业生产能实现优质、高产和低消耗的目标。

三容水箱液位定值控制系统是一种重要的过程控制，在石油、化工、冶金等工业领域有广泛的应用。它对液位设定值，利用串行控制系统，使下水箱液位保

持在该值，并跟随此给定值，抵抗扰动。它只有一个控制变量，即下水箱液位，属于单输入、单输出控制，通常把它组建为过程仪表控制系统或远程计算机控制系统。

1.1.2工业过程控制的发展概况

自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。

初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制，比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。

之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。

1.1.3过程计算机控制系统

现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具

有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。

在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。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，进行数据采集﹑数据处理﹑逻辑判断﹑控制量计算﹑越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。

（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控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。

（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。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。

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响到控制系统的功能﹑精度和效率。

1.2液位串级控制系统概述

在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。

1.2.1串级控制系统基本概念即组成结构

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

1.2.2 系统特点及分析

* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。

* 能迅速克服进入副回路的二次扰动。

* 提高了系统的工作频率。

* 对负荷变化的适应性较强。

1.3 MATLAB软件介绍

MATLAB软件是由美国MathWorks公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。

MATLAB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。

1.3.1 MATLAB系统组成

(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(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。