双容水箱液位串级控制系统的设计.doc

目 录摘 要 1Abstract: 21 概述 31.1 过程控制介绍 31.2 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 72.1 水箱模型分析 72.2 阶跃响应曲线法建立模型 73 系统控制方案设计与仿真 133.1 PID控制原理 133.2 系统控制方案设计 153.2 控制系统仿真 164 建立仪表过程控制系统 204.1 过程仪表介绍 204.2 仪表过程控制系统的组建 214.3 仪表过程控制系统调试运行 245 建立计算机过程控制系统 265.1 计算机过程控制系统硬件设计 265.2 MCGS软件工程组态 285.3 计算机过程控制系统调试运行 386 结论 40双容水箱液位串级控制系统的设计摘 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，采用动态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﹑MCGS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 仪表过程控制系统 计算机过程控制系统1.2液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，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 在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑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。

2被控对象建模在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型被控对象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、整定调节器参数等的重要依据被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式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：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， Q1-Q2=A(dh/dt) ；△Q1-△Q2=A(d△h/dt) 在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；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 Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：△Q1 ﹑△Q2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0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(T=R2C) K:液位过程的放大系数(K=R2) C:液位过程容量系数 图2.2 水箱模型测定原理图 3．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,y,4)；>> xi=0:3:420； >> yi=polyval(p,xi)；>> plot(x,y,’b:o’xi,yi,'r')。

在MATLAB中绘出曲线如下：图2.5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，得到多项式的表达式：P(t)≈-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991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点的值为T图2.6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 4.下水箱模型建立在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 47.4 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:o’xi,yi,'r')。

在MATLAB中绘出曲线如下：图2.7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箱的响应曲线，得到多项式的表达式P(t)= -1.1061e(-011)t4+5.7384(e-008)t3 -0.00011849t2 +0.12175t-0.31385.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2.8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，Gm(s)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控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：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，能较快克服扰动，使系统稳定下来但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：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，则称此控制系统是有差系统为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大这样，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，直到等于零但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差3）微分控制（D）：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环节或有滞后环节，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所以在控制器中仅引入“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特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性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1.临界比例法在闭合控制系统中，把调节器的积分时间TI置于最大，微分时间TD置零，比例度δ置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度δ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δk和临界振荡周期Tk根据以下经验公式计算调节器参数： 。