基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计(毕业设计)

word文档word文档毕业设计(论文)专业班级学生姓名 学号课题基于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AbstractLiquidlevelisoneofimportantcontrolledvariablesinindustrialprocess,soresearchonithasgreatrealisticsignificance.Thepurposeofthisthesisistodesigntheliquidlevel'scascadecontrolsystemofthethree-tank.Thisdesignmakesfulluseoftheautomaticindicatortechnique﹑thecomputertechnique﹑thecommunicationtechniqueandtheautomaticcontroltechniqueinordertorealizecascadecontrolofwatertank'sliquid.First,Icarryouttheanalysisofthecontrolledobjects'model,andusetheexperimentalmethodtocalculatethetransferfunctionofthemodel.Next,Idesignthecascadecontrolsystemandusethedynamicsimulationtechniquetoanalyzethecapabilityofcontrolsystemanddesignthecascadecontrolsystem，accordingtothemodelofcontrolledobjectandcharacteristicofcontrolledprogress,jioningthemodulatorofPID.Inthemeantime,bycomparingthecontrolsystemfunctions,Ivalidatetheeffectsofcascadecontrolsystemonacceleratingsystemperformance.Ascomputercontroltechnologydevelopsatahighspeed,configurationtechnologyisregardedandused,whichcansolvesomanyproblemsoftraditionalindustrialcontrolsoftwarethatuserscanconfigureatwilltofinishtheirautomaticprojectsaccordingtotheirobjectandgoal.Keywords：liquidlevel，cascadecontrol,PIDmodulator，systemsimulation.目录1绪论 11.1过程控制概述 11.1.1过程控制的特点 11.1.2工业过程控制的发展概况 21.1.3过程计算机控制系统 21.2液位串级控制系统概述 41.2.1串级控制系统基本概念即组成结构 41.2.2系统特点及分析 41.3MATLAB软件介绍 51.3.1MATLAB系统组成 51.3.2基于MATLAB的数值处理 62被控对象建模 72.1试验法简介 72.2实验步骤介绍 82.3水箱数据采集方法介绍： 92.3.1上水箱阶跃响应参数测定： 92.3.2中水箱阶跃响应参数测定： 92.3.3下水箱阶跃响应参数测定： 102.4数据拟合与水箱传递函数求取 102.4.1求取上水箱模型传递函数 102.4.2求取中水箱模型传递函数 122.4.3求取下水箱模型传递函数 133控制系统设计及仿真 163.1控制系统的选择 163.2PID控制简介 173.2.1比例（P）控制 173.2.2积分（I）控制 183.2.3微分（D）控制 183.3PID控制器参数整定 184.控制系统仿真 204.1阶跃响应性能 204.1.1加入副回路的仿真 204.1.2去除副回路的仿真 214.2加入扰动 225.过程仪表控制与计算机控制 255.1仪表控制系统概述 255.2过程仪表介绍 255.2.1检测部分 255.2.2执行机构 265.2.3控制器 275.3计算机过程控制系统 285.3.1远程计算机控制系统概述 285.3.2MCGS组态软件概述 285.3.2MCGS组态软件的特点 295.4计算机控制与过程仪表控制比较 306结论 32致谢 33参考文献 34附录：英文资料及译文 351.英文资料 352.译文 43word文档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。1.3MATLAB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Windows2000/xp的MATLAB7.0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。1.3.1MATLAB系统组成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。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。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。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。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。1.3.2基于MATLAB的数值处理现代科学与工程的进展离不开数学。数学家感兴趣的问题和其他科学家、工程技术人员所关注的问题是不同。数学家往往对数学问题的解析解和解的存在性严格证明感兴趣，而工程技术人员一般对如何求出数学问题的解更关心。换句话说，能用某种方法获得问题的解则是工程技术人员更关心的问题。而获得这样解的最直接方法就是通过数值解法技术。数学问题的数值解法已经成功地运用于各个领域。而MATLAB语言就可以求解几乎所有的数值问题，在本设计中就将运用它来对采样数据进行插值拟合。数据拟合成曲线的思想就是根据一组二维数据，即平面上的若干点，要求确定一个一元函数y=f(x)，即曲线，使这些点与曲线总体来说尽量接近，曲线拟合其目的是根据实验获得的数据去建立因变量与自变量之间有效的经验函数关系，为进一步的深入研究提供线索。2被控对象建模设计三容水箱液位过程控制系统必须先建立三容水箱的过程模型。过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标，整定调节器参数等等的重要依据，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。过程建模对于实现生产过程的自动化具有十分重要的意义。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、中水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，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、中水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上、中、下三个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：d=25cm,h=20cm;中水箱尺寸为：d=25cm，h=20cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。而建立过程数学模型的基本方法，一般来说有机理分析法和试验法两种。机理分析法建模又可被称为数学分析法建模和理论建模。对于一些简单的被控过程建模可采用此法。但是，由于很多工业过程其内部机理较复杂，对某些物理，化学过程目前尚不完全清楚，所以对这些较复杂过程的建模较为困难，再加之工业过程非线性因素的存在和一些不合理的人为假设，使得机理法建模在对较为复杂的过程建模时显出弊端。此时，工程上普遍采用试验法建模。顾名思义，试验法建模的主要特点是不需要深入了解过程的机理。只要设计一个合理的实验，去获得过程所包含的充足的信息量，就可以按照一定的方法得到被控过程的数学模型，而控制理论已有相关成熟的方案，即工程上普遍采用的阶跃响应曲线法。2.1试验法简介试验法建模可分为加专门信号和不加信号两种。加专门信号就是在试验过程中改变所研究的过程输入量，对其输出量进行数据处理就可求得过程的数学模型。不加专门信号既利用过程在正常操作时所记录的信号，进行统计分析来求得过程的数学模型。一般来说这种方法只能定性到反映过程数学模型，其精度较差。所以，为了能得到精度较高的数学模型，应采用加专门信号的试验法。

产生专门信号的发生器多种多样，下面介绍常用的阶越响应曲线法来辨识过程的数学模型。它的原理很简单，在被控过程的输入量作阶越变化时，测定其输出量随时间变化的曲线，即得阶越响应曲线。

为了在实验时能满足下水箱液位能达到设定的高度，要求三只水箱放水阀的开度必须满足下列关系：

上水箱放水阀开度〉中水箱放水阀开度〉下水箱放水阀开度（1）

这样，当系统运行与稳态时，三个水箱液位高度关系必然会满足下列不等式：

下水箱液位〉中水箱液位〉上水箱液位（2）即满足上述的不等式后，系统在稳态时才会出现流量的平衡关系。2.2实验步骤介绍完成接线,接通电源.打开阀门,3只放水阀的开度满足式(1)要求.设置系统的给定值后，用手操作调节器的输出，以控制3只水箱液位的高度。当下水箱的液位等于给定值，且上、中水箱的液位基本不变时，把调节器由手动切换为自动，使系统进入自动运行状态。为突变给定量，施加阶跃信号，提高各调节阀开度，使得节约扰动值为10，使各水箱重新进入平衡状态，并记录水位变化数据。控制进水量控制进水量供水施加阶跃输入信号阶跃响应输出电动调节阀上/中/下水箱图2.1水箱阶跃响应框图2.3水箱数据采集方法介绍：2.3.1上水箱阶跃响应参数测定：控制调节阀开度,使初始开度OP1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据):122.54635.901138.051638.60229.07736.711238.421738.70333.57837.111338.371838.67438.69937.821438.361938.71534.701038.261538.452038.86表2.1上水箱阶跃响应数据2.3.2中水箱阶跃响应参数测定：控制调节阀开度,使应参数测定初始开度OP1=45,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=55,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据):123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.90表2.2中水箱阶跃响应数据2.3.3下水箱阶跃响应参数测定：控制调节阀开度,使初始开度OP1=40,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至OP2=50,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据):154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10表2.2下水箱阶跃响应数据2.4数据拟合与水箱传递函数求取由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。所以使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型。运用MATLAB提供的一组函数polyfit、polyval以及plot可以得到比较满意的多项式拟合曲线。2.4.1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=0:30:540;y=[22.5429.0733.5734.7035.9036.7137.1137.8238.2638.0538.4238.3738.3638.4538.6038.7038.6738.7138.86];p=polyfit(x,y,5);xi=0:3:540;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'--')在MATLAB中绘出曲线如下：图2.2上水箱拟合曲线图2.3上水箱模型计算曲线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)导数在t=0的值为0.25，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。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=16.3与阶跃扰动值=10之比，所以上水箱传递函数为。2.4.2求取中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=[23.6230.5035.2538.6941.3243.3144.7745.5646.1747.0647.2547.4647.7647.8747.89];p=polyfit(x,y,3);xi=0:3:420;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'--')在MATLAB中绘出曲线如下：图2.4中水箱拟合曲线图2.5中水箱模型计算曲线同上，斜率K为P(t)导数在t=0的值为0.21，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。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=24.2与阶跃扰动值=10之比，所以中水箱传递函数为。2.4.3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=0:30:1500;y=[53.5654.0257.1960.2863.5366.5669.5272.2674.7977.0079.0780.8782.8884.6186.3487.7189.1890.4491.7693.0494.1195.1896.0496.9697.4998.4599.1999.83100.43101.01101.42101.81102.26102.79103.19103.36103.65103.93104.39104.84105.06105.53105.80106.08106.33106.41106.61106.65106.94107.20107.28];p=polyfit(x,y,3);xi=0:3:1500;yi=polyval(p,xi);plot(x,y,xi,yi,'--')在MATLAB中绘出曲线如下：图2.6下水箱拟合曲线图2.7下水箱模型计算曲线同上，斜率K为P(t)导数在t=0的值为0.12，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。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=53.4与阶跃扰动值=10之比，所以下水箱传递函数为。3控制系统设计及仿真3.1控制系统的选择计算三容水箱液位过程控制系统必须先建立三容水箱的过程模型。过程的数学模型是设计过程控制系统，确定控制方案、分析质量指标，整定调节器参数等等的重要依据，所以过程数学模型是过程控制系统设计分析和应用的重要资料。过程建模对于实现生产过程的自动化具有十分重要的意义。三容水箱液位定值控制系统的被控对象是三容水箱，被控参数是下水箱液位，控制参数是上水箱的给水量，可用电动调节阀控制来实现。若采用单回路控制，其系统框图如下：调节器调节器调节阀三容水箱检测变送输入量输出量+-图3.1单回路控制系统框图由于被控对象为三容水箱系统，为了满足对控制精度和功能的更高要求，单回路系统已难以满足此类被控对象，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统复杂一些的控制系统，三闭环串级控制系统就是一个选择。图3.2三闭环液位串级控制系统框图3.2PID控制简介在工程实际中，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。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。图3.3PID控制系统结构图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。控制规律为其中－比例系数,－积分时间常数－微分时间常数3.2.1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。3.2.2积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3.2.3微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.3PID控制器参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法分为两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，又称实验法。它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。本设计采用实验法，通过不断改变PID控制器的参数得到理想曲线，进而确定PID控制器的参数。4.控制系统仿真4.1阶跃响应性能在完成了被控对象的数学模型的建立以及控制系统方案的选择后，可以在Simulink中对控制方案进行仿真实验，以验证方案的可行性和和加深对于PID参数调整的定性认识。以三容水箱作为被控对象，其数学模型为三个单容水箱的串联，其传递函数在上一章已建立。考虑到后两级水箱的输入是上级水箱的液位输出，与前面已建立的模型相差一个增益，在下面的仿真实验中，设该增益为1。另外可增加一个切换开关（ManualSwitch），通过手动切换开关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控制能力。图4.1SIMULINK仿真框图4.1.1加入副回路的仿真在时间为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=6，TI=0.0065，TD=120;仿真结束时间设置为500s，仿真得到的波形图如下：图4.2MATLAB加入副回路仿真曲线图4.1.2去除副回路的仿真将切换开关置于上，去掉副回路，系统成为单回路控制系统，重新运行仿真，得到仿真图入下图所示：图4.3MATLAB不加入副回路仿真曲线由4.2和4.3两图对比可见，引入副回路组成三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，使不稳定的三阶系统变得稳定，对被控对象的调节能力更强。4.2加入扰动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.经过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4.4SIMULINK加入扰动仿真框图图4.5MATLAB加入副回路扰动仿真曲线 图4.6MATLAB不加入副回路扰动仿真曲线由图4.5和图4.6对比可见，引入副回路组成三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。5.过程仪表控制与计算机控制在现实生活以及生产实践中，液位控制主要有过程仪表控制和计算机控制两种方案，由于条件有限，无法对着两种方案进行设计和验证，因此参考其他资料对其进行简单的介绍和比较，作初步的了解。5.1仪表控制系统概述20世纪50年代前后，一些工厂企业的生产过程实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的一个重要阶段。到了六十年代以来，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展，也为自动化技术工具的完善创造了条件，气动和电动单元组合仪表应运而生。大规模集成电路制造成功与微处理器的相继问世，使得自动化技术工具方面有了新的发展，诸如以微处理器为核心的智能单元组合仪表（包括可编程调节器和DDZ-ш系列智能仪表）的开发和广泛应用。本次设计所要实现的仪表控制系统方案中所使用的调节器就是一种智能单元组合仪表。仪表过程控制系统是利用智能仪表与一次仪表、执行机构、调节阀等动作装置组建的控制系统，用于工业现场控制，其控制方式可以是直接手动调节给定输出值，也可是仪表可按其预设工作方式自动调节输出信号进行控制。5.2过程仪表介绍5.2.1检测部分在过程控制系统设计中，测量和变送是信息获取和传送的重要环节，在工程上为了提高控制精度，被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的依据。三容水箱液位系统检测装置采用压力传感器、液位变送器对下水箱液位进行检测、变送。本系统使用的BP-800型压力传感器广泛应用与石油、化工、冶金、建材等企事业单位，实现对流体压力的测量，并适用于各种场合全天候环境及各种腐蚀性液体。工作原理：过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大器、输出放大器放大后，再经V/A转换器，转换为与输入压力成线形对应关系的标准电流输出信号。主要技术指标如下：测量范围：-100KPa-100Mpa准确度：0.1FS0.25FS0.5FS电源电压：24VDC二线、三线；220VAC四线过载极限：额定量程的1.5-3倍BP900系列液位变送器广泛应用于石油、海洋、化工等企事业单位。它准确度高、稳定。安装、使用简便。工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线形对应关系的4-20mA标准电流输出信号。主要技术指标：量程：0-500M准确度：0.1%FS0.25%FS0.5%FS输出信号：两线制4-20Ma电源电压：24VDC220VAC5.2.2执行机构执行器(调节阀)由执行机构和调节机构(阀)两部分组成.它是过程控制中的一个重要组成环节.在一个控制系统中,它接受调节器输出的控制信号,并转换趁直线位移或角位移来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的流量,从而实现了对过程参数的控制.QSVP系列智能电动单坐调节阀是一种高性能的调节阀,,广泛用于电力,冶金,石油,化工,医药,锅炉,轻工等行业的自动控制中.电动执行机构接受0-10mA/4-20mA/0-5V/1-5V等控制信号,改变阀的开度,同时将阀门的隔离信号反馈给控制系统,实现对压力,温度,流量,液位等参数的调节.主要技术参数:输入信号:0-10mA/4-20mADC/0-5VDC/1-5VDC输出信号;4-20Madc电源:220V/50Hz流量特性:线形,等百分比,快开可调范围:50:15.2.3控制器本控制系统采用上海万讯公司的AI系列调节仪表，主要特点有：（1）全球通用的85-246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电。（2）输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线形校正表格，测量精确稳定。（3）采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。（4）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。下面就是仪表控制系统的在稳定后突加阶跃的过渡过程曲线。图5.1仪表控制系统突加阶跃信号过渡过程曲线稳态值为5cm,阶跃量为1cm.调节器1的参数:P=70;I=60;D=20调节器2的参数:P=20;I=0;D=0调节器3的参数:P=10;I=0;D=0突加阶跃信号后超调15%，调整时间6分钟（2%误差带），稳态误差0。5.3计算机过程控制系统5.3.1远程计算机控制系统概述远程计算机控制系统是设计中所采用的过程实验装置的扩展上位控制系统，该控制系统通过ICP－7000系列智能采集模块将传感器检测到的被控参数标准信号通过A/D转换送入计算机，计算机同时控制运算发出的控制信号通过D/A转换发送给执行机构（调节阀、变频器、可控调压器）。该上位机控制系统实际上属于计算机DDC直接数字控制系统，只不过是将模拟量输入AI模块和模拟量输出AO模块，开关量输入/输出DI,DO模块置于计算机之外，计算机由RS232/485通讯转换装置同ICP-7000系列模块（自带RS485通讯接口）通讯。5.3.2MCGS组态软件概述在仪器仪表系统中，组态软件就被提及与使用，但那时更多的是作为一种辅助性的角色，即作为一个对于仪器仪表系统监视的平台。而在远程数据采集系统中。组态软件起到了举足轻重的作用。在这次设计中所使用的组态软件是北京昆仑通态出品的MCGS组态软件，这是一款优秀的国产全中文工控组态软件，当前版本为5.1。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等操作系统。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能全面，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。5.3.2MCGS组态软件的特点与国内外同类产品相比，MCGS5.1组态软件具有以下特点：全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，符合中国人的使用习惯和要求，真正的32位程序，可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000等多种操作系统。庞大的标准图形库、完备的绘图工具以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令相结合，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。简单易学的类Basic脚本语言与丰富的MCGS策略构件，使您能够轻而易举地开发出复杂的流程控制系统。强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使您能够在第一时间获得有关现场情况的第一手数据。方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数，使您能够方便、及时、准确地捕捉到任何报警信息。完善的安全机制，允许用户自由设定菜单、按钮及退出系统的操作权限。此外，MCGS5.1还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能，支持TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各种无线网络和无线电台等多种网络体系结构。良好的可扩充性，可通过OPC、DDE、ODBC、ActiveX等机制，方便地扩展MCGS5.1组态软件的功能，并与其他组态软件、MIS系统或自行开发的软件进行连接。提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。在整个企业范围内，只使用IE浏览器就可以在任意一台计算机上方便地浏览与生产现场一致的动画画面，实时和历史的生产信息，包括历史趋势，生产报表等等，并提供完善的用户权限控制下面就是远程计算机控制系统的在稳定后突加阶跃的过渡过程曲线。图5.2远程计算机系统突加阶跃过渡过程曲线PID参数：调节器1的参数:P=70;I=60;D=25调节器2的参数:P=30;I=0;D=0调节器3的参数:P=20;I=0;D=0调节器1的设定值为7cm,突加阶跃后设定值到8cm,此时超调量为25%，调整时间为8分钟（2%误差带），稳态误差0。5.4计算机控制与过程仪表控制比较通过比较计算机控制系统与过程仪表控制系统在在阶跃响应下的曲线和阶跃响应性能指标，可以看出计算机控制系统在阶跃量相同的情况下，它的超调量大于仪表控制，说明仪表控制系统的性能优于计算机控制系统，这主要是因为仪表控制系统的PID参数整定的要比计算机控制系统的好。所以说，控制器是过程控制系统的关键，控制规律的确定和控制器参数的整定是系统设计中最重要的环节。计算机控制相对与仪表控制，其主要特点是：1）仪表控制系统中均使用模拟部件，而计算机控制系统除了检测、变送装置，执行机构等常用的模拟部件之外，其执行控制功能核心部件是数字计算机，计算机控制系统是模拟与数字部件的混合系统。2）仪表控制系统，控制规律由硬件实现，，要修改控制规律，必须要改变硬件结构，如AI智能调节仪。在计算机控制系统中，控制规律是由软件实现的，如MCGS组态软件。3）在仪表控制系统中，一般是一个控制器控制一个回路，而在计算机控制系统中，由于计算机具有高速运算的能力，一个控制器（控制计算机）经常采用分时控制的方式同时控制多个回路。计算机控制系统除了拥有过程仪表控制的一般特点外，不需要人在生产现场，改善了劳动条件，不用人工手动操作，消除了人为因素；易于现代化管理和产品质量分析；采用表格、图形、曲线显示直观，并有输出打印功能。6结论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。本次毕业设计，结合所学的知识以及参考的资料，着重研究了三容水箱串级控制建模方法，串级控制系统的设计和MATLAB仿真，最终实现了对水箱液位的控制。最后简单介绍和比较了生产实践中液位控制使用的仪表过程控制方法和计算机过程控制方法。水箱数学模型的建立是设计的开始和关键，通过采集的数据在MATLAB上通过数据拟合得到各水箱阶跃曲线，然后通过曲线可得到各水箱的一阶传递函数中的参数K和T,进而可得到三容水箱的传递函数。本次设计，虽然已经确定使用串级控制对水箱液位进行控制，但仍通过加入切换开关控制副回路的去处和加入，可以方便的比较单回路控制和串级控制两种方案在阶跃输入控制性能以及抗扰动性能，明显看出串级控制对三容水箱的液位控制优越性。在串级液位控制仿真过程中同时可整定PID参数，通过不断调节PID参数，得到满意的响应曲线，使得其响应速度快，超调量小，稳态误差小。由于时间仓促，再加上本人水平有限，虽然设计基本完成，但仍有很多不足甚至错误之处，望各位老师能够不吝赐教，加以斧正，谢谢！致谢首先，我要向我的指导老师——孙虹老师表示衷心的感谢，感谢她一个学期的耐心指导，使得我从对毕业设计的茫然甚至担忧到现在最终独立完成。如果没有老师帮助我解决在设计过程中困惑，我也很难顺利完成这次毕业设计。然后我要感谢我的母校四年来对我的教育和关怀，四年大学生活让我学到了很多，懂得了很多。母校对我的栽培不仅让我学会了科学知识，更重要的是帮助我学会了如何去学习，如何去把学到的知识应用到实际的生活中，这对我毕业后的生活和工作是一笔巨大的财富。我还要感谢我的同学，一个毕业设计中所需要了解和学会的知识有很多，一些我来不及学习的知识点通过对其熟悉的同学我才能很快的掌握。设计很多关键的地方我都是靠和同学的请教和讨论才能顺利完成，因此，同学的帮助也是我完成毕业设计的一个重要支撑。最后我要表达对父母的感谢，他们的勤劳和付出让我拥有了精彩的四年大学生活，没有他们就没有我的今天！参考文献自动控制原理，胡寿松主编，科学出版社；自动化仪表与过程控制，施仁主编，电子工业出版社；《MCGS用户指南》，北京昆仑通态自动化科技有限公司；《THJ-2高级过程控制系统实验装置》，浙江天煌科技实业有限公司；先进PID控制及其MATLAB仿真，刘金琨主编，电子工业出版社；应用MATLAB建模与仿真，陈桂明，张明照等主编，科学出版社；控制系统数字仿真与CAD，张晓华主编，哈尔滨工业大学；MATLAB工程计算，SmithD.M.主编，清华大学出版社；MATLAB编程，StephenJ.Chapman，科学出版社；MATLAB与控制系统仿真实践，赵广元主编，北京航空航天大学出版社；PID控制器参数整定与实现，黄友锐、曲立国主编，科学出版社；TechnicalOverview,FieldbusFoundation.Austin,texas；计算机过程控制系统，刘宝坤主编，机械工业出版社；过程控制与计算机控制系统，李京主编，化学工业出版社；ControlandAutomationoftechnologicalProcessandMechatronsystems,J.Swider,SilesianUniversityPublishingCompany;附录：英文资料及译文英文资料TheIntegratedCircuitDigitallogicandelectroniccircuitsderivetheirfunctionalityfromelectronicswitchescalledtransistor.Roughlyspeaking,thetransistorcanbelikenedtoanelectronicallycontrolledvalvewherebyenergyappliedtooneconnectionofthevalveenablesenergytoflowbetweentwootherconnections.Bycombiningmultipletransistors,digitallogicbuildingblockssuchasANDgatesandflip-flopsareformed.Transistors,inturn,aremadefromsemiconductors.Consultaperiodictableofelementsinacollegechemistrytextbook,andyouwilllocatesemiconductorsasagroupofelementsseparatingthemetalsandnonmetals.Theyarecalledsemiconductorsbecauseoftheirabilitytobehaveasbothmetalsandnonmetals.Asemiconductorcanbemadetoconductelectricitylikeametalortoinsulateasanonmetaldoes.Thesedifferingelectricalpropertiescanbeaccuratelycontrolledbymixingthesemiconductorwithsmallamountsofotherelements.Thismixingiscalleddoping.Asemiconductorcanbedopedtocontainmoreelectrons(N-type)orfewerelectrons(P-type).Examplesofcommonlyusedsemiconductorsaresiliconandgermanium.PhosphorousandboronaretwoelementsthatareusedtodopeN-typeandP-typesilicon,respectively.Atransistorisconstructedbycreatingasandwichofdifferentlydopedsemiconductorlayers.Thetwomostcommontypesoftransistors,thebipolar-junctiontransistor(BJT)andthefield-effecttransistor(FET)areschematicallyillustratedinFigure2.1.Thisfigureshowsboththesiliconstructuresoftheseelementsandtheirgraphicalsymbolicrepresentationaswouldbeseeninacircuitdiagram.TheBJTshownisanNPNtransistor,becauseitiscomposedofasandwichofN-P-Ndopedsilicon.Whenasmallcurrentisinjectedintothebaseterminal,alargercurrentisenabledtoflowfromthecollectortotheemitter.TheFETshownisanN-channelFET,whichiscomposedoftwoN-typeregionsseparatedbyaP-typesubstrate.Whenavoltageisappliedtotheinsulatedgateterminal,acurrentisenabledtoflowfromthedraintothesource.ItiscalledN-channel,becausethegatevoltageinducesanN-channelwithinthesubstrate,enablingcurrenttoflowbetweentheN-regions.Anotherbasicsemiconductorstructureisadiode,whichisformedsimplybyajunctionofN-typeandP-typesilicon.Diodesactlikeone-wayvalvesbyconductingcurrentonlyfromPtoN.Specialdiodescanbecreatedthatemitlightwhenavoltageisapplied.Appropriatelyenough,thesecomponentsarecalledlightemittingdiodes,orLEDs.Thesesmalllightsaremanufacturedbythemillionsandarefoundindiverseapplicationsfromtelephonestotrafficlights.Theresultingsmallchipofsemiconductormaterialonwhichatransistorordiodeisfabricatedcanbeencasedinasmallplasticpackageforprotectionagainstdamageandcontaminationfromtheout­sideworld.Smallwiresareconnectedwithinthispackagebetweenthesemiconductorsandwichandpinsthatprotrudefromthepackagetomakeelectricalcontactwithotherpartsoftheintendedcircuit.Onceyouhaveseveraldiscretetransistors,digitallogiccanbebuiltbydirectlyw