雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜述

1、控制系統(tǒng)仿真課程大作業(yè)評語：題目：雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院系名稱：電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：成績：學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：任課教師：時(shí)間：本論文的目的是設(shè)計(jì)雙容水箱液位用級控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對水箱液位的審級控制。首先對被控對象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計(jì)審級控制系統(tǒng)，采用MATLAB真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。然后，設(shè)計(jì)并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)對液位的用級PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊、MCGS態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計(jì)并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過程控制

2、系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：液位；模型；PID控制；MATLAB真；計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)18摘要21 概述41.1 過程控制介紹41.2 液位用級控制系統(tǒng)介紹41.3 MATLAB軟件介紹41.4 MCGSiffl態(tài)軟件介紹52被控對象建模52.1 水箱模型分析52.2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型63系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真103.1 PID控制原理103.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)113.3 控制系統(tǒng)仿真124建立儀表和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)16結(jié)論17參考文獻(xiàn)181概述1.1 過程控制介紹過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件(除了被控對象、檢測與執(zhí)行裝置外)。1 .過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：

3、(1)由中央處理器、時(shí)鐘電路、內(nèi)存儲(chǔ)器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)主機(jī)是組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分。(2)包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器和數(shù)字顯示器等的(3)通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器、閃存等，它們用來顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。(4)I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。2 .過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：(1)系統(tǒng)軟件由計(jì)算機(jī)及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計(jì)算機(jī)本身資源，方便用戶使用計(jì)算機(jī)。(2)應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序(如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程序、控制量計(jì)算程序、生產(chǎn)過程監(jiān)控程序)，應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能、精

4、度和效率。1.2 液位串級控制系統(tǒng)介紹在液位審級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用傳統(tǒng)的申級PID控制的方法，利用智能調(diào)節(jié)儀表、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對它們的主要內(nèi)容進(jìn)行說明。1.3 MATLAB軟件介紹MATLAB系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：(1)MATALB語言體系：MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語言.具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜

5、的應(yīng)用程序。(2)MATLAB工作環(huán)境：這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱.包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)：這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。(4)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫：這是對MATLAB使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱.包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運(yùn)算、矩陣分析等高層次數(shù)學(xué)算法。(5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API):這是MA

6、TLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。1.4 MCGS組態(tài)軟件介紹MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)部分組成。利用MCGS軟件組建工程的過程簡介：工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析；工程立項(xiàng)搭建框架；設(shè)計(jì)菜單基本體系；制作動(dòng)畫顯示畫面；編寫控制流程程序；完善菜單按鈕功能；編寫程序調(diào)試工程；連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；工程完工綜合測試。2被控對象建模在液位審級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計(jì)算他們模型，來分析

7、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)特性，為其他的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上下兩個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm,每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽2.1 水箱模型分析圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個(gè)具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1,流出量為Q2,通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。液位h越高，水箱內(nèi)白靜壓力增大，Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導(dǎo)致水箱蓄水或?yàn)a

8、水的過程。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡，Q1-Q2=A(dh/dt)；AQ1AQ2=A(dAh/dt)在靜態(tài)時(shí)，Q1=Q2,dh/dt=0；當(dāng)Q1發(fā)生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，液位h與流量之間為非線性關(guān)系。但為了簡便起見，做線性化處理得Q2=Ah/R2,經(jīng)拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數(shù)為：W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs1)=K/(Ts1)注：zQ1、zQ2、zh:分別為偏離某一個(gè)平衡狀態(tài)Q10、Q20、h0的增量;R2:閥2的阻力；A

9、:水箱截面積；T:液位過程的時(shí)間常數(shù)(T=R2C);K:液位過程的放大系數(shù)(K=R2);C:液位過程容量系數(shù)2.2 階躍響應(yīng)曲線法建立模型在本設(shè)計(jì)中將通過實(shí)驗(yàn)建模的方法，分別測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號(hào)后的液位響應(yīng)曲線和相關(guān)參數(shù)。通過磁力驅(qū)動(dòng)泵供水，手動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度大小，改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號(hào)，記錄階躍響應(yīng)曲線。施加階躍隼入信號(hào)階躍響應(yīng)輸出-JI控制進(jìn)水量供水電動(dòng)磁力泵*1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥M上水箱/下水箱圖2.2水箱模型測定原理圖1.根據(jù)階躍響應(yīng)參數(shù)(間隔30次集數(shù)據(jù))求取上水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0:

10、30:420;y=06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1424.2524.27; p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:420; yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。在MATLAB中繪出曲線如下:圖2.3上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合上水箱的響應(yīng)曲線，得多項(xiàng)式的表達(dá)式:P(t):-1.8753e(-0.09)t42.2734e(-0.06)t3-0.0010761t20.24707t0.

11、13991根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算上水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T。而斜率K為P在t=0的導(dǎo)數(shù)P(0)=0.24707以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn)小點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為T圖2.4上水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y（叼與階躍擾y（二）2.45八k0G2（s）=動(dòng)值x0之比x0,所以上水箱傳遞函數(shù)為996s+12.根據(jù)階躍響應(yīng)參數(shù)（間隔30次集數(shù)據(jù)）求取下水箱模型傳遞函數(shù)在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0:30

12、:1650;y=03.176.269.5112.5415.518.420.7722.9825.0526.8528.8630.5932.3233.6935.1636.4237.7439.0240.0941.1642.0242.9443.4744.4345.1745.8146.4146.9947.447.7948.2448.7749.1749.3449.6549.9150.3750.8251.0451.5151.7852.0652.3152.3952.5952.6352.9253.1853.2653.353.3653.5453.6453.853.8;p=polyfit（x,y,4）；xi=0:3:

13、1650;yi=polyval(p,xi)；plot(x,y,b:oxi,yi,r)。在MATLAB中繪出曲線如下:圖2.5下水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點(diǎn)為原數(shù)據(jù)點(diǎn)。數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項(xiàng)式近似擬合下水箱的響應(yīng)曲線，得多項(xiàng)式的表達(dá)式：P(t)：-1.1061e(-011)t45.7384e(-008)t3-0.00011849t20.12175t-0.31385根據(jù)曲線采用切線作圖法計(jì)算下水箱特性參數(shù)，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線在輸入量x(t)產(chǎn)生階躍的瞬間，即t=0時(shí)，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩(wěn)態(tài)值，該響應(yīng)曲線可用一階慣性環(huán)節(jié)近似描述，需確定K和T.而余率K為P

14、在t=0的導(dǎo)數(shù)P(0)=0.12175，以此做切線交穩(wěn)態(tài)值于A點(diǎn)小點(diǎn)映射在t軸上的B點(diǎn)的值為To圖2.6下水箱模型計(jì)算曲線階躍響應(yīng)擾動(dòng)值為10,靜態(tài)放大系數(shù)為階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值y(co)與階躍擾動(dòng)值x0之比k*,所以下水箱傳遞函數(shù)為G1=新含。在實(shí)驗(yàn)建模的過程中，實(shí)驗(yàn)測取的被控對象為廣義的被控對象，其動(dòng)態(tài)特性包括了調(diào)節(jié)閥和測量變送器，即廣義被控對象的傳遞函數(shù)為Gp(s)=Gv(s)G(s)Gm(s),Gv(s)為調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)，Gm(s)為測量變送器的傳遞函數(shù)。3系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)與仿真3.1PID控制原理在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PI

15、D調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。圖3.1PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r與實(shí)際值y構(gòu)成控制偏差：e(t)=r(t)y(t)。PID控制規(guī)律為：1tde(t)U(t)=Kpe(t)Je(t)TddeTiodt或以傳遞函數(shù)形式表示：G二器二kp(1TsT式中，KP:比例系數(shù)TI:積分時(shí)間常數(shù)TD:微分時(shí)間常數(shù)PID控制器參數(shù)整定運(yùn)用臨界比例法:在閉合控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大，微分時(shí)間TD置零,比例度6置于較大數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，將調(diào)節(jié)器的比例度6由大到

16、小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時(shí)的臨界比例度6k和臨界振蕩周期Tko根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)：f、數(shù)控制規(guī)律6TITDP26kPIr2.26kTK/1.2PID1.66k0.5Tk0.25Tk表3.1臨界振蕩整定計(jì)算公式3.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)1 .控制系統(tǒng)性能指標(biāo)靜態(tài)偏差；衰減率：一般衰減率在0.75-0.9;超調(diào)量；調(diào)節(jié)時(shí)間：從過渡過程開始到被控參數(shù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值-5%+5%范圍所需的時(shí)間。2 .方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)建立的審級控制系統(tǒng)由主副兩個(gè)控制回路組成，每一個(gè)回路又有自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制主對象。副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制副對象。主調(diào)節(jié)器有自己

17、獨(dú)立的設(shè)定值R,他的輸出ml作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)c2.通過針對雙容水箱液位被控過程設(shè)計(jì)審級控制系統(tǒng)，將努力使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，并且使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，較塊的響應(yīng)速度。當(dāng)有擾動(dòng)fl作用于副對象時(shí)，副調(diào)節(jié)器能在擾動(dòng)影響主控參數(shù)之前動(dòng)作，及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)f2作用于主對象時(shí)，由于副回路的存在也應(yīng)使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，使主回路控制作用加強(qiáng)。圖3.2串級控制系統(tǒng)框圖3.3 控制系統(tǒng)仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動(dòng)態(tài)的模擬所的構(gòu)造系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只

18、需要選擇合適仿真設(shè)備，添加傳遞函數(shù),設(shè)置仿真參數(shù)。下面根據(jù)前文的水箱模型傳遞函數(shù)對審級控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以模擬實(shí)際中的階躍響應(yīng)曲線，考察審級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是否合理。1 .階躍響應(yīng)性能圖3.3SIMULINK仿真框圖通過手動(dòng)切換開關(guān)(ManualSwitch)可以實(shí)現(xiàn)副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響，比較審級控制和非審級控制對雙容水箱液位的控制能力。在時(shí)間為0時(shí)對系統(tǒng)加入大小為30的階躍信號(hào)，設(shè)置主控制器PID參數(shù)KP=60TI=50TD=3;副控制器P參數(shù)為KP=50,在初始點(diǎn)加40點(diǎn)階躍輸入量觀察階躍響應(yīng)曲線。圖3.4MATLAB加入副回路仿真曲線圖圖3.5MATLAB不加入

19、副回路仿真曲線圖3.4為加入副回路時(shí)的仿真曲線：圖3.5為切除副回路時(shí)的仿真曲線.由3.4和3.5兩圖對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位用級控制系統(tǒng)后動(dòng)態(tài)特性比不加入副回路的控制系統(tǒng)有了很大的改善，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對被控對象的調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。2 .抗擾動(dòng)能力維持初始階躍信號(hào)不變，并在副回路中加入擾動(dòng)信號(hào)，觀察響應(yīng)曲線.在400s經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)向副回路加入階躍值為70的擾動(dòng)信號(hào)?？刂破鲄?shù)不變。圖3.6SIMULINK仿真框圖%財(cái)融E圖3.7 MATLAB加入副回路仿真曲線圖3.8MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.7為加入副回路時(shí)的仿真曲線：圖3.8為切除副回路時(shí)的仿真曲線.由圖3.7和

20、圖3.8對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位用級控制系統(tǒng)后能夠很好的克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，及時(shí)消除擾動(dòng)對主參數(shù)的影響.在克服二次擾動(dòng)方面申級控制比不加副回路的非審級控制好。綜上所述，選擇用級PID控制的設(shè)計(jì)方案完成對水箱液位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)是可行的.而且在改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、抗擾動(dòng)能力等方面與非審級控制系統(tǒng)是較為有效的。但是仿真曲線只是在計(jì)算機(jī)上通過對實(shí)際系統(tǒng)仿真得到的較理想的模擬曲線.實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)場必須綜合考慮各方面的因素，不可能得到與計(jì)算機(jī)仿真致的理想曲線和控制性能。4建立儀表和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)1 .儀表系統(tǒng)包含：檢測、變送裝置；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；控制器。儀表控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)：通過三相380V/

21、10A交流電源向三相磁力泵和220/5A交流電源向調(diào)節(jié)儀表供電。壓力變送器測定的下水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）送到主調(diào)節(jié)器（智能調(diào)節(jié)儀1）輸入端。調(diào)節(jié)器的給定值可由儀表控制面板或MCGS監(jiān)控界面設(shè)定，與反饋信號(hào)相比較后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。由于其輸出的信號(hào)為420mA的電流信號(hào)，需要經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為15V電壓信號(hào)送到副調(diào)節(jié)儀的輸入端，與壓力變送器測定的上水箱液位值（電壓反饋信號(hào)）相比較后,輸出420mA的電流信號(hào)到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)輸入端，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，消除下水箱液位的測量值與給定值的偏差。2 .計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包含：信號(hào)采集；模擬量輸入通道；模擬量輸出通道3 .通過MCGS組態(tài)軟件在控制計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)人機(jī)交互界面，經(jīng)過RS232/485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊的通訊，將檢測變送裝置的信號(hào)傳送到控制計(jì)算機(jī)中，從而在人機(jī)交互界面中可以對水箱液位對象進(jìn)行監(jiān)控、控制器設(shè)計(jì)改造、數(shù)據(jù)瀏覽和存儲(chǔ)、記錄實(shí)驗(yàn)曲線等。MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。數(shù)字PID