双容水槽液位系统概要.doc

摘要双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在多种行业的生产加工过程中有广泛应用本次毕业设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了多种控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法以LabVIEW为开发软件，以MATLAB为编程和仿真软件，建立液位控制系统的实验平台，研究传统PID控制、数字式PID控制以及模糊自适应PID控制的控制效果，对参数的整定及各个参数的控制性能的比较，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响关键词：双容水槽；PID控制；labVIEW；MATLAB Abstract Double-Holding water tank level control system is the control system adopts advanced control algorithm to control the process level, with its wide application in various production processes in the industry. This graduation project topic is the simulation of Double-Holding water tank control system of PID. The main content of this paper includes: determining the analysis and experimental curves of water tank, water tank level control system mathematical model was established by using the experimental method, design a variety of control system for the liquid level control system, choose the right PID algorithms. Taking LabVIEW as the development software, MATLAB software programming and simulation, experimental platform for the establishment of liquid level control system, the traditional PID control, digital PID control and fuzzy adaptive PID control, control performance compared to the tuning parameters and each parameter, the curves of simulation analysis, summarizes the influence of the parameters on the system performance.Keywords: Double-Holding water tank ；PID control; LabVIEW; MATLAB III 目 录1 引言 11.1 课题背景与意义 11.2 课题的研究现状 12 课题内容及任务 32.1 设计内容 32.2 设计任务 33 整体方案设计 44 具体操作步骤 64.1 建立数学模型 64.2 软件操作介绍 84.2.1 LabVIEW简介 84.2.2 MATLAB简介 114.3 传统PID控制器的设计 134.3.1 PID控制原理 134.3.2 PID参数整顿方法 154.3.3 Labview设计传统PID控制器 164.4 数字式PID控制器的设计 184.4.1 位置式PID控制算式 184.4.2 增量式PID控制算式 194.4.3 Labview设计数字式PID控制器 204.5 模糊自适应式PID控制器的设计 224.5.1 模糊自适应PID控制简介 224.5.2 模糊自适应PID控制器的控制原理 224.5.3 Labview设计模糊自适应PID控制器 254.6 系统主界面的设计 264.6.1 系统主界面前面板的设计 264.6.2 系统主界面程序框图的设计 274.7 双容水槽动画演示界面的设计 284.7.1 双容水槽动画演示前面板的设计 284.7.2 双容水槽动画程序框图的设计 295 结论 306 参考文献 317 致谢 33附录一 传统PID控制器程序图 34附录二 数字式PID控制器程序图 36附录三 模糊自适应PID控制器程序图 38 3中原工学院毕业设计（论文） 1 引言1.1 课题背景与意义 人们生活以及工业生产经常涉及到液位的控制问题，例如食品加工、饮料、居民生活用水的供应、溶液过滤等多种行业的生产加工过程， 通常要用到蓄水池。

蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足生产需求因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出水流量，使得蓄液池内液位保持正常水位，以保证产品的质量和生产效益这些不同背景的实际问题都可以简化为水箱的液位控制问题因此液位是工业控制过程中一个非常重要的参数特别是在动态的状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现 随着计算机技术的快速发展和普及，如今测控领域的一个重要发展趋势就是以计算机技术为中心的虚拟仪器虚拟仪器以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)与仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等)的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口LabVIEW 是美国NI 公司开发的一种基于图形语言的软件开发平台，集成了大量图形界面的模板, 自身功能强大, 在测试与测量、过程控制与处理、科学研究和分析等方面有广泛的应用但是, 在实际应用中,对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应用,LabVIEW并不能很好的满足系统对运算速度等方面的要求。

MATLAB是一种功能强、效率高、简单学的数学软件, 有可靠的数值计算和符号计算功能、强大的绘图功能、简单易学的语言体系以及为数众多的应用工具但是MATLAB的数据输入、网络通信和硬件控制等方面都比较繁琐如果把LabVIEW 与MATLAB相结合使用, 无疑将使虚拟仪器的数据处理及绘图等功能更加强大因此, 用LabVIEW 与MATLAB之间的混合编程, 在功能上互补, 具有实用价值1.2 课题的研究现状随着计算机、网络通讯技术的发展与应用，使得教学形式和内容发生了变化，也改变了实验教学的模式，国内外的高校越来越重视控制理论实验室的建设，引进先前的实验教学软硬件设备，建立机电一体化的综合实验室，为学生提供了更多实验空间，激发了学生的学习兴趣，使学生的综合能力得到提升目前实验系统的教学从模式上可分为两类一是演示型实验系统教学：在这种实验教学方法中，教师讲解实验内容并作示范动作，学生通过观察教师的演示和实验结果来加深对某个知识点的理解和记忆并作模仿式练习二是自主、探究性型实验系统教学：自主、探究性实验教学模式的核心思想是，以课题性问题为起点，以实验过程与实验方法为轴心展开教学，力求使学生主动构建知识与技能，提升情感、态度与价值观。

学生思考、设计、探索、体验在前，教师的演示、讲解、分析、评论在后学生可自行选择实验对象，进行系统分析，设计实验方案，进行具体实验操作，完成整个实验过程在实验过程中出现了故障和错误，学生自行进行分析，不断改进，知道完成任务这样就培养和提高了学生的动手能力以及分析问题和解决实际问题的能力在实验过程中学生可以自己提出问题，并相互交流、讨论，促进同学间的互相学习LabVIEW作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，目前在国内的应用主要在测量测试和过程控制领域，在实验系统教学方面的应用少而在国外很多高校都将LabVIEW引入控制理论的教学和实验研究一些发达国家高等院校，为了将抽象的控制问题更形象更直观的展现给学生，使学生更容易接受，配备了机械教学系统如倒立摆、直流电机等直线型和旋转控制对象我国需要建立控制系统设计、仿真、实验的机电一体化的综合实验室，全方位的满足自动控制的教学要求 2 课题内容及任务 2.1 设计内容本课题以双容水槽液位控制系统为研究对象，以LabVIEW为开发软件，以MATLAB为编程和仿真软件，建立液位控制系统的实验平台，研究传统PID控制、数字式PID控制以及模糊自适应PID控制效果，并基于过程控制实验系统的双水箱液位系统，在计算机控制系统上对该平台进行应用研究。

2.2 设计任务(1)完成双容水槽建模；(2)设计传统PID控制器；(3)设计数字式PID控制器以及模糊自适应PID控制器；(4)扩展装置功能 3 整体方案设计 系统的原理框图如图3-1所示扰动扰动输出值C设定值R主对象副调节器执行器副对象主调节器 输出值Ｃ扰动f2(t)——扰动f2(t)测量与变送器2测量与变送器1 图3-1系统总体方案图 本课题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，其输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出控制执行器，以改变主参数.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。

(1) 被控参数的选择 应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量，又易于测量的参数在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控。