基于MATLAB雙容水槽液位控制系統(tǒng)設計剖析

四川理工學院大作業(yè)（論文）基于MATLAB雙容水槽液位控制系統(tǒng)設計學生：專業(yè)：過程裝備與控制工程班級：四川理工學院機械工程學院二O一六年六月四川理工學院畢業(yè)設計（論文）任務書設計（論文）題目：基于MATLAB雙容水槽液位控制系統(tǒng)設計學院：機械工程學院專業(yè)：過控班級：學生：接受任務時間2016.06系主任（簽名）院長（簽名）1．畢業(yè)設計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求（1）選擇控制對象（2）確定被控變量（3）分析被控變量特性，確定控制方案并進行論述，進行相應選型2．指定查閱的主要參考文獻及說明[1]彭燕[1].過程控制課程中一個液位控制系統(tǒng)綜合實驗[J].計算機與數(shù)字工程,2015,43(6):1129-1131.[2]劉靜[1].具有相互影響的液位過程自整定PID控制器設計[J].伺服控制,2013,(6):41-44.[3]徐慶龍.智能PID算法在遠程液位控制系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息,2003,19(12):19-20.3．進度安排設計（論文）各階段名稱起止日期1查閱文獻、初步計算相關數(shù)據(jù)2016.05.20-2016.05.232初步定稿、基本完成設計說明書2016.05.23-2016.05.263根據(jù)文檔、編制講解ppt2016.05.26-2016.05.29概述在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽如進料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等設備應用十分普遍，為了保證生產(chǎn)正常進行，物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡。工藝要求液位貯槽內(nèi)的液位需維持在某給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出。雙水槽系統(tǒng)是由上下兩個水槽串聯(lián)構(gòu)成的，來水首先進入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位產(chǎn)生的壓力通過閥門流入下水槽。下水槽水的流出量由用戶根據(jù)需要改變，通過改變上水槽進水流量來控制下水槽的液位。第一章控制系統(tǒng)的組成1.1被控對象的選擇本次設計為兩個水槽的串聯(lián)，它們之間的連通管具有阻力，因此兩者的液位是不同的。自來水Qi首先進入水槽1，然后再通過水槽2流出。水流入量Qi由閥1控制，流出量Q1決定于閥2的開度（根據(jù)用戶的需求改變），被控變量是水槽2的液位h2。下圖為雙容水槽示意圖：圖1-1串級控制的雙容液位過程主控制對象：水槽2副控制對象：水槽11.2控制變量的選擇與分析主被控變量：水槽2的液位直通單座調(diào)節(jié)閥即閥門1的改變不會立即引起水槽2液位的變化，需要通過中間變量即水槽1液位的變化來間接改變水槽2液位的變化，所以使得控制通道容量滯后大、時間常數(shù)大（會導致系統(tǒng)的控制作用不及時，反映遲鈍、最大偏差大、過渡時間長、抗干擾能力差，控制精度降低）。副被控變量：水槽1的液位水槽1的液位直接影響水槽2的液位，而水槽1的液位受入水口流量的影響，反應速度快，滯后時間短?？刂谱兞浚ú倏v變量）：入口流量Q1通過改變?nèi)肟诹髁块y門的開度，改變水槽1的液位高度，固定閥門2的開度，從而改變水槽2的液位高度。1.3調(diào)節(jié)器的選擇與分析主調(diào)節(jié)器：2水槽液位引起的PID調(diào)節(jié)器的變化通過液位變送器測出2水槽液位是否滿足期望值，把偏差傳輸給PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)入口閥開度，使2水槽液位接近期望值，實現(xiàn)“細調(diào)”功能。副調(diào)節(jié)器：1水槽液位引起的PID調(diào)節(jié)器的變化通過液位變送器測出1水槽液位是否滿足期望值，把偏差傳輸給PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)入口閥開度，快速實現(xiàn)入口流量的變化，迅速實現(xiàn)“粗調(diào)”作用。第二章數(shù)學模型的建立對于雙容液位對象，根據(jù)物料平衡方程可以寫出兩個關系式。水槽1的動態(tài)平衡關系為 （2-1）水槽2的動態(tài)平衡關系為 （2-2）式（２-１）與式（２-２）相加得： （2-3）同理，在ｑｖ２、ｑｖ３變化量極小時，水流出量與液位的關系近似為 （2-4） （2-5）將式（2-４）和式（2-５）代入式（2-２）并求微分后，經(jīng)整理得到 （2-6）再將式（2-５）和式（2-６）代入式（2-３），經(jīng)整理得到（2-5） （2-7）式中，Ａ１，Ａ２——分別為水槽1、2的橫截面積;RS1、RS2 ——分別為水槽1、2的出水閥阻力系數(shù)。令 T1=A1.RS1，T2=A2.RS2，k=RS2，則： （2-8）式（2-8）就是描述圖2-1所示雙容水槽主被控對象的二階微分方程式。通常這樣的被控對象叫做二階被控對象。式中的T1為水槽1的時間常數(shù)，T2為水槽2的時間常數(shù)，K為被控對象的放大倍數(shù)。圖2-1雙容液位對象第三章控制系統(tǒng)總體方案控制總體方案圖如圖3-1所示：圖3-1控制系統(tǒng)總體方案設計圖第四章控制系統(tǒng)元件選型4.1執(zhí)行器的選擇在現(xiàn)代生產(chǎn)過程控制中，執(zhí)行器起著非常重要的作用，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。執(zhí)行器的作用是接受調(diào)節(jié)器送來的控制信號，自動地改變操縱量（如介質(zhì)流量、熱量等），達到對被控參數(shù)進行調(diào)節(jié)的目的。4.1.1執(zhí)行器分類執(zhí)行器按照工作能源分為三大類：液動、氣動、和電動執(zhí)行器。電動閥簡單地說就是用電動執(zhí)行器控制閥門,從而實現(xiàn)閥門的開和關。其可分為上下兩部分，上半部分為電動執(zhí)行器，下半部分為閥門。氣動閥門就是借助壓縮空氣驅(qū)動的閥門，由氣動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)兩部分組成。氣動閥門和電動閥門開關動作速度可以調(diào)整，結(jié)構(gòu)簡單，易維護，但氣動閥門動作過程中因氣體本身的緩沖特性，不易因卡住而損壞，但必須有氣源，在一些對控制要求高的廠還要專為氣動儀表控制元件設置壓縮空氣站。且其控制系統(tǒng)也比電動閥門復雜。而電動閥門的要求就是有電就能對被控參數(shù)進行調(diào)節(jié)。4.1.2電動閥門的選擇電動閥分兩種，一種為角行程電動閥：由角行程的電動執(zhí)行器配合角行程的閥使用，實現(xiàn)閥門90度以內(nèi)旋控制管道流體通斷；另一種為直行程電動閥：由直行程的電動執(zhí)行器配合直行程的閥使用，實現(xiàn)閥板上下動作控制管道流體通斷。通常在自動化程度較高的設備上配套使用。這次設計，我們選擇DKZ系列直行程電動調(diào)節(jié)閥。該執(zhí)行器是由DKZ直行程電動執(zhí)行器與直通單座調(diào)節(jié)閥或直通雙座調(diào)節(jié)閥組裝而成的。該執(zhí)行器具有推力大。定位精度高，反應速度快、滯后時間少、能源消耗低、安裝方便、供電簡便、在電源突然斷電時能自動保持調(diào)節(jié)閥原來的位置等特點。與DFD電動操作器配合使用，可以在控制室進行自動手動切換。圖4-1電動閥門圖4.2液位變送器的選擇測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)經(jīng)過檢測、變送單元轉(zhuǎn)換成標準信號。在模擬儀表中，標準信號通常采用4—20mADC、1—5VDC、0—10mADC的電流（電壓）信號，或20—100kPa的氣壓信號；在現(xiàn)場總線儀表中，標準信號是數(shù)字信號。4.2.1常用的液位變送器浮球式液位變送器由磁性浮球、測量導管、信號單元、電子單元、接線盒及安裝件組成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿測量導管上下移動。導管內(nèi)裝有測量元件，它可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成4～20mA或其它標準信號輸出。該變送器為模塊電路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蝕等優(yōu)點，電路內(nèi)部含有恒流反饋電路和內(nèi)保護電路，可使輸出最大電流不超過28mA，因而能夠可靠地保護電源并使二次儀表不被損壞。浮筒式液位變送器是將磁性浮球改為浮筒，它是根據(jù)阿基米德浮力原理設計的。浮筒式液位變送器是利用微小的金屬膜應變傳感技術來測量液體的液位、界位或密度的。它在工作時可以通過現(xiàn)場按鍵來進行常規(guī)的設定操作。該變送器利用液體靜壓力的測量原理工作。它一般選用硅壓力測壓傳感器將測量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大電路放大和補償電路補償，最后以4～20mA或0～10mA電流方式輸出。電容式物位變送器適用于工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中進行測量和控制生產(chǎn)過程，主要用作類導電與非導電介質(zhì)的液體液位或粉粒狀固體料位的遠距離連續(xù)測量和指示。電容式液位變送器由電容式傳感器與電子模塊電路組成，它以兩線制4～20mA恒定電流輸出為基型，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可以用三線或四線方式輸出，輸出信號形成為1～5V、0～5V、0～10mA等標準信號。電容傳感器由絕緣電極和裝有測量介質(zhì)的圓柱形金屬容器組成。當料位上升時，因非導電物料的介電常數(shù)明顯小于空氣的介電常數(shù)，所以電容量隨著物料高度的變化而變化。變送器的模塊電路由基準源、脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換、恒流放大、反饋和限流等單元組成。采用脈寬調(diào)特原理進行測量的優(yōu)點是頻率較低，對周圍元射頻干擾、穩(wěn)定性好、線性好、無明顯溫度漂移等。超聲波變送器分為一般超聲波變送器（無表頭）和一體化超聲波變送器兩類，一體化超聲波變送器較為常用。一體化超聲波變更新器由表頭（如LCD顯示器）和探頭兩部分組成，這種直接輸出4～20mA信號的變送器是將小型化的敏感元件（探頭）和電子電路組裝在一起，從而使體積更小、重量更輕、價格更便宜。超聲波變送器可用于液位。物位的測量和開渠、明渠等流量測量，并可用于測量距離。這次大作業(yè)我們選擇超聲波變送器來測量液位。4.2.2超聲波變送器與其他變送器相比，超聲波變送器較好地解決了旋轉(zhuǎn)式、壓力式、電容式、浮子式等傳統(tǒng)測量方式帶來的粘蓮、纏繞、堵塞、泄露、介質(zhì)腐蝕、維護不便等缺點。該變送器有以下特點：適合惡劣工業(yè)場合；抗干擾性強及在線輸出調(diào)節(jié)；換能器內(nèi)置溫度傳感器，實現(xiàn)測量值的實時自動溫度補償；參數(shù)可通過RS485設置，屏蔽探頭附近干擾信號；4~20MA電流輸出，可選現(xiàn)場總線接口。技術參數(shù)如下：工作溫度：-10～+70℃；工作電源：DC12-24V/50mA；精度：±0.3%×量程或±1mm；防爆等級本安防爆：ExiaIIBT4；盲區(qū)：≤60mm～300mm(不同量程)；輸出信號：4～20mA；RS485(可選)；外形尺寸：Φ55mm×119mm×G11/2管螺紋；安裝方式：G11/2管螺紋或Φ47mm圓孔(配鑼環(huán))。圖4-2超聲波變送器第五章利用MATLAB進行仿真設計5.1傳遞函數(shù)的確定由（2-8）得雙容水槽2系統(tǒng)模型為： （5-1）對上式進行l(wèi)aplace變換，有： （5-2）則水槽2傳遞函數(shù)為： （5-3）取水槽1的橫截面積為2m2，出口閥阻力系數(shù)0.5，水槽2的橫截面積為2m2，出口閥阻力系數(shù)0.5，則水槽2傳遞函數(shù)為： （5-4）5.2MATLAB仿真設計在無干擾情況下，整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響；然后加入干擾（白噪聲），比較有無干擾兩種情況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化，串級控制系統(tǒng)框圖如下：圖5-1串級控制系統(tǒng)框圖5.2.1整定主回路控制器PID參數(shù)系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（無噪聲）：圖5-2無噪聲主回路控制系統(tǒng)的MATLAB參數(shù)整定仿真框圖（1）參數(shù)：K1=12,I1=1,D1=2圖5-3無噪聲主回路控制系統(tǒng)的MATLAB參數(shù)整定仿真框曲線圖（2）參數(shù)：K1=12,I1=4,D1=2圖5-4無噪聲主回路控制系統(tǒng)的MATLAB參數(shù)整定仿真曲線圖5.2.2干擾對系統(tǒng)的影響分析在無干擾最佳曲線下加入干擾，系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下（有噪聲）：圖5-5有噪聲主回路控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖仿真曲線如下：圖5-6有噪聲主回路控制系統(tǒng)的MATLAB仿真曲線圖5.2.3MATLAB分析結(jié)果觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定，分別改變P、I、D參數(shù)后，使系統(tǒng)的性能有了很大的改善，并且加入干擾后，一段時間也能達到平衡。因此，研究出該調(diào)節(jié)器的PID控制參數(shù)為：K=12，I=4，D=2?？偨Y(jié)對于這次雙容水槽的控制系統(tǒng)設計，起先我們摸不著方向，嘗試了幾種不同的控