双容水箱液位控制系统毕业设计

双容水箱液位控制系统毕业设计内容摘要：

研究的理想平台，具有 强大的实验功能。 它不仅可以实现 一 阶对象、二阶对象，还可以实现更高阶对象的分析、研究， 而且它还可 以作为一种多功能型实验设备去验证各种新型算法。 它 易于在实验中操作 ， 直观性强，适用于教学实验；可以模拟多种实际应用故障。 我们还可以通过经典的 PID 控制器设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。 各种控制器的控制效果通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获 得瞬态响应指标，准确评估控制性能。 开放的控制器实验装置，便于我们 进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。 液位控制 实验 装置是过程控制 中 最常用的实验装置，可在此装置上探讨、研究、开发各种新型控制算法，学习各种不同的控制方案，通过调试不同控制方案下的实验系统，使我们能更清楚地了解工业过程控制中系统的投运和整定方法。 第三 章 双容水箱液位控制系统分析 设计 控制系统分析 对被控系统的分析，是 设计过程控制系统的基础资料或基本依据。 要对现代日益复杂和庞大的被控过程进行研究分析、实施控制，尤其是进行最优设计时，必须 了解其工作过程及 其数学模型 等。 因此，数学模型对过程控制系统的分析设计、实现生产过程的优化校制具有极 为重要的意义。 被控对象的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量关系的数学描述。 或者说是描述被控过程因输人作用导致输出量 (被控变量 )变化的数学表达式。 被控过程可能既受控制输人的作用，也受扰动量影响。 控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。 但从系统角度来看，无论是控制输人还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。 工业过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度相差悬殊。 对于数学模型，应根据实际应用情况提出适当的要求。 一般说来，用于控制的数学模 型并不要求十分准确。 闭环控制本身具有一定的鲁棒性，模型本身的误差可视为干扰，而闭环控制在某种程度上具有自动消除干扰的能力。 实际生产过程的动态特性非常复杂，往往需要作很多近似处理。 有些近似处理需要作线性化处理、降阶处理等，但却能满足控制的要求。 建立数学模型有两个基本方法，即机理法和测试法。 测试法一般只用于建立输入输出模型。 是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外部特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。 液位控制系统组成 该液位控制系统主要是基于 PCTⅢ型远程数据采集过程 控制装置。 系统的主要目的是控制上下水箱的液位。 主要干扰源为随机流入水箱中的水使水位上涨，超过警戒水位 ； 同时出于某种考虑，不能使水位低于某个值。 整个液位控制系统的结构图如图 所示。 它由计算机 、电动调节阀、上水箱、下水箱、 液位变送器 、变频器和水泵 模块等组成。 电动调节阀用于调节上水 箱的进水量的大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱 的液位。 计算机 的输出量用于控制电动调节阀的开度。 变频器用于控制水泵进行恒压供水。 图 双容水箱液位控制系统结构图 液位控制系统的控制目标 水箱的液位变化范围为 h=0300mm，要求通过设计合适的控制器，能使被控对象 (下水箱 )的液位值稳、准、快地稳定在所给定的液位值上，稳态液位误差不超过 5mm。 当系统发生扰动 (正扰动或负扰动 )时，被控量能迅速恢复到系统原来所要求的液位值。 液位控制系统的 模型 分 析 在此利用解析法对双容水箱进行建模。 解析法建模的一般步骤为： ① 明确过程的输出变量、输入变量和其他中间变量； ② 依据过程的内在机理和有关定理、定律以及公式列写静态方程或动态方程； ③ 消去中间变量，求取输入、输出变量的关系方程； ④ 将其简化成控制要求的某种形式，如高阶微分（差分）方程或传递函数 （脉冲传递函数）等。 双容水箱模型如图 所示。 图 双容水箱模型图 根据动态物料平衡关系，即在单位时间内贮罐的液体流入量与单位时间内贮罐的液体流出量之差应等于贮罐中液体贮存量的变化率， 可列出以下增量方程 ： 11 1 2dhC q qdt     式 (21) 22 2 3dhC q qdt     式 (22) 12 2hq R 式 (23) 233hq R 式 (24)由 式 (21)和式 (23)消去 1h 得： 21221 qqdtqdRC  式 (25) 将其转换为传 递 函 数 形式得： 1111)( )()( 121121  sTsRCsQ sQsG 式 (26) 其中 211 RCT 。 由 式 (22)和式 (24)消去 3q 得： 223232 hqRdthdRC  式 (27) 将其转换为传递函数形式得： 11)( )()( 2 332 3222  sT RsRC RsQ sHsG 式 (28) 由式 (26)和 式 (28)得： 111)()()( )()( )()( 2 31212212  sT RsTsGsGsQ sHsQ sQsG 式 (29) 由于被控对象含有延迟特性 ，所以双容水箱的模型最终可用 一个二阶惯性加纯滞后环节来描述，即 ： 12() ( 1)( 1)sKeGsT s T s 式 (210) 双容水箱液位控制系统 方案设计 首先要确定整个系统的自动化水平，然后才能进行各个具体控制系统方案的讨论确定。 对于比较大的控制系统工程，更要从实际情况出发，反复多方论证，以避免大的失误。 控制系统的方案设计是整个设计的核心，是关键的第一步。 要通过广泛的调研和反复的论 证来确定控制方案，它包括被控变量的选择与确认、操纵变量的选择与确认、检测点的初步选择及系统组成、绘制出带控制点的工艺流程图和编写初步控制方案设计说明书等。 的选定 从 上面的 模型可知，该系统是一个有时间延迟的 二阶系统，自身不稳定。 若按单回路方法设计控制系统，则因作用于系统的扰动要经过一个滞后时间才能使被控量有所反应，而调节器的控制作用又不能及时反映出来，因此将导致控制过头，产生 振荡。 理论分析表明，用单回路方法对上述过程进行控制是难以奏效的。 该分析结果，也得到实验证实，经现场反 复调试得知，在有 干扰作用或给定值变化的情形下，系统是无法稳定的。 而且由于该串联式双容 液位过程两贮槽串 联而存在容量滞后，这些因素致使单回路控制方案难以实施。 与单回路方案相比，串级控制系统具有明显优点，在克服容量滞后和纯滞后对控制质量的影响方面有其独到之处， 据此设计了如图 所示的串级控制系统。 该 控制系统在结构上形成了两个闭环。 一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求。 这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统 就 叫做串级控制系统。 主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。 串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能，能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。 P I D 设 定 1 P I D 设 定 2D / A 调 节 阀 上 水 箱 下 水 箱测 量 变 送 器 1测 量 变 送 器 2 A / DA / DS pF 1F 2e 1 e 2 y图 串级控制系统方框图 串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象．串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路， 对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质．串级控制系统在提高系统控制质量方面主要表现在： 1)对进人副回路的二次干扰有很强的克服能力； 2)改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率； 3)串级控制系统减小了对象时间常数； 4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力． 串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好，一般应用在下列情况： 1)控制通道纯延迟时间较长； 2)对象容量滞后大； 3)负荷变化大，被控对象又具有非线性； 4)系统存在变化剧烈的干扰 ． 串级控制系统 的设计 相比单回路控制系统的设计过程，串级控制系统的设计也较为简单，其主要包括以下几项： ① 主、副参数的选择及主、副回路设计； ② 比例、积分及微分控制规律的选择； ③ 控制算法的确定。 、副参数和主、副回路的选择 串级控制系统的设计主要是 主、 副参数的选择和 主、 副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。 (1) 主参数的选择和主回路的设计 主回路是一个定值控制系统，对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。 凡直接或间接与 生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作 主参数。 若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。 否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。 另外 ，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。 所以在此选择下水箱液位高度为主参数，而由其所构成的回路也即为主回路， 如图 中的外回路即为主回路。 (2) 副参数的选择和副回路的设计 串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。 在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动 (并可能多的把其它一些扰动 )包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影 响，提高主参数的控制质量。 在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。 因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。 所以在此选择上水箱液位高度为副参数，而由其所构成的回路也即为副回路，如图 中的内回路即为副回路。 2． 控制规律的选择 调节器控制规律 通常指 比例 (P)、积分 (I)、微 分 (D)控制 规律。 PID 控制规律 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便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。 以下就比例、积分、微分控制规律做简要介绍。 比例 (P)控制：比例控制是一种最简单的控制方式。 对偏差进行控制，偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数 Kp， Kp 越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下， Kp 减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。 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。 积分 (I)控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 实质上就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。 积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。 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。 微分 (D)控制：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）或有滞后组件，它能预测误差变化的趋势，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性。 但微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。 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。 而在实际应用时通常需要综合各方面的因素去考虑各种控制规律的选择， 这样才可达到既经济又实用的效果。 虽然 P。