双容水箱水位控制系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

双容水箱水位控制系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

此时的 4： 1衰减比例度δ和衰减周期 Tk。 根据以下 经验公式计算调节器参数： 表 阻尼振荡整定计算公式 调节器参数 控制规律 δ TI TD P δ S PI S PID S 若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。 在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。 系统控制方案设计 制系统性能指标 (1) 静态偏差：系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。 (2) 衰减率：闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。 为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在。 (3) 超调量：输出响应中过渡过程开始后，被控参数第一个波峰值与稳态值河南 城建学院本科毕业设计（论文） 系统控制方案设计与仿真 11 之差，占稳态值的百分比，用于衡量控制系统动态过程的准确性。 (4) 调节时间：从过渡过程开始到被控参数进入稳态值 5%— +5%范围所需的时间 设计建立的串级 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，他的输出 m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出 m2 控制执行器，以改变主参数 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 f1(t)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 f2(t)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。 图 串级控制系统框图 (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参数，因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下。 如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败 ,且现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，包括直读式液位计 、 浮力式液位计 、 静压式液位计 、 电磁式液位计 、 超声波式液位计等。 (2) 控制参数的选择 m2 m1 e1 c1 扰动f1(t) e2 设定值 R c2 扰动f2(t) 主调节器 副调节器 执行器 副对象 主对象 测量与 变送器 2 测量与 变送器 1 河南 城建学院本科毕业设计（论文） 系统控制方案设计与仿真 12 从双容水箱系统来看，影响液位有两个量，一是通过上水箱流入系统的流量，二是经下水箱流出系统的流量。 调节这两个流量都可 以改变液位的高低。 但当电动调节阀突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水，导致水箱中水过多溢出，造成浪费或事故。 所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。 (3) 主副回路设计 为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。 副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力。 主副回路时间常数之比应在 3 到 10之间，以使副回路既能反应灵敏，又能显著改善过程特性。 下水箱容量滞后与上水箱相比较大，而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题，所以选择主对象为下水箱，副对象为上水箱。 (4) 控制器的选择 根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律。 为了实现液位串级控制，使用双闭环结构，主调节器选择比例积分微分控制规律(PID)，对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率 (P)，对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对于系统进行控制，整个回路构成双环负反馈系统。 控制系统仿真 MATLAB 软件介绍 MATLAB 软件是由美国 MathWorks 公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。 MATLAB 最早发行于 1984 年，经过 10 余年的不断改进，现今已推出基于Windows 20xx/xp 的 MATLAB 版本。 新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。 在 MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互的数学系统环境，该 系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。 MATLAB 系统由五个主要部分组成： (1)MATALB 语言体系 MATLAB 是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。 利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开河南 城建学院本科毕业设计（论文） 系统控制方案设计与仿真 13 发复杂的应用程序。 (2)MATLAB工作环境 这是对 MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方 法，以及开发、调试、管理 M文件的各种工具。 (3)图形图像系统 这是 MATLAB 图形系统的基础，包括完成 2D 和 3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB 命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令，以及开发 GUI 应用程序的各种工具。 (4)MATLAB 数学函数库 这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB 应用程序接口 (API) 这是 MATLAB 为用户提供的一个函数库 ，使得用户能够在 MATLAB 环境中使用 c 程序或 FORTRAN 程序，包括从 MATLAB 中调用于程序 (动态链接 )，读写 MAT 文件的功能。 MATLAB 还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。 MATLAB 具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数， MATLAB 的控制系统工具箱 (Control System Toolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法； MATLAB 的系统辨识工具箱（ System Identification Toolbox） 可以对控制 对象的未知对象进行辨识和建模。 MATLAB的仿真工具箱（ Simulink） 提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。 它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。 通过 MATLAB 中的 SIMULINK 工具箱可以动态的模拟所的构造系统的响应曲线，以控制框图代替了程序的编写，只需要选择合适仿真设备，添加传递函数，设置仿真参数便可完成系统的仿真。 下面根据前文的水箱模型传递函数对串级控制系统进行仿真，以模拟实际中的阶跃响应曲线，考察串 级系统的设计方案是否合理。 通过手动切换开关（ Manual Switch）可以实现副回路的引入与切除，以了解副回路对控制性能的影响 ,比较串级控制和非串级控制对双容水箱液位的控制能力仿真框图如下。 河南 城建学院本科毕业设计（论文） 系统控制方案设计与仿真 14 图 SIMULINK 仿真框图 在时间为 0 时对系统加入大小为 30 的阶跃信号，设置主控制器 PID 参数KP=60 TI=50 TD=3。 副控制器 P 参数为 KP=50，观察阶跃响应曲线如下。 图 双闭环阶跃响应仿真曲线 通过手动切换开关将副回路 切除成单闭环可得其仿真图像。 图 单闭环阶跃响应仿真曲线 由图 和图 相比较可以看出，引入副回路的双闭环串级系统能够更好的提高系统的响应速度，使系统更加的稳定，稳态误差更小。 河南 城建学院本科毕业设计（论文） 系统控制方案设计与仿真 15 维持初始阶跃信号不变，并在副回路中加入扰动信号，观察响应曲线 . 在100s 经过惯性环节向副回路加入阶跃值为 70的扰动信号。 控制器参数不变。 图 加入扰动后的 SIMULINK 仿真框图 图 加入扰动后的双闭环阶跃响应仿真曲线 图 加入扰动后的单闭环阶跃响应仿真曲线 河南 城建学院本科毕业设计（论文） 系统控制方案设计与仿真 16 由图 到最小，能够满足系统各项参数的需要，同时也解决了双容水箱大滞后的缺点，使系统稳定快速的运行，同时也进一步验证了选择串级 PID 来控制双容水箱能够达到比较理想。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 建立仪表过程控制系统 17 4 建立仪表过程控制系统 过程仪表介绍 检测﹑变送装置 采用工业用的 BP800 型扩散硅压力变送器对水箱液位变化进行测量，含不锈钢隔离模片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 当水箱中注水导致液位变化时， BP800 压力变送 器对被控过程中的流体压力进行测量 ,过程压力通过压力传感器将压力信号转换成电信号 ,经差分放大器、输出放大器放大后 ,再经过 V/A 转换器 ,转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。 BP800 型压力变送器技术指标如下： 表 压力变送器技术指标 被测介质 : 液体 机械保护： IP65 测量范围： 100KPa～ 100MPa 防爆等级： IaⅡ CT5 输出： 4～ 20mA DC 二线制 关联设备： EXZ231B 安全栅 准确度： 级 温度极限 : 10～ 80。 C 40～ 120。 C 零点温度系 数： 小于 %/。 C 过载极限： 额定量程的 ～ 3倍 满程温度系数 : 小于 %/。 C 相对湿度 : 小于 95% 电源电压： 24DC 二线制 负载电阻： ≤ 750 欧姆 （ 1）水泵 采用 16CQ－ 8P 型磁力驱动泵 ,流量为 32 升 /分 ,扬程为 8米 ,功率为 三相 380 恒压供水输入。 （ 2）调节阀 采用 QSVP－ 16K 型电动调节阀实现对双容水箱液位系统进水量的控制。 其由QSL 智能型电动执行机构与阀门组合构成。 通过将压力变送器检测到的电压 /电流信号输入到 QSL 电动执行机构 的智能放大器，和来自位置信号发生器产生的开河南城建学院本科毕业设计（论文） 建立仪表过程控制系统 18 度信号相比较并放大后 ,向消除其偏差的方向驱动并控制电机转动 ,以改变调节阀的开度 ,同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统。 当其偏差值达到零时 ,电机停表 电动调节阀技术指标 阀开关形式： 电开式 动作速度： 输入控制信号： 4～ 20mA DC/1～ 5V DC 流量特性： 直线 输出信号： 4～ 20mA DC 额定流量系数 Kv： 输入阻抗： 250Ω /500Ω 介质温度： 4～ 200。 C 输出最大负载： 500Ω 死区： ≤ 177。 % 电源： 220V/50Hz 回差： ≤ 177。 % 公称直径： 20mm 可调范围： 50:1 公称压力： 防护等级： IP65 行程： 10mm 功耗： 5VA ．控制器 在仪表过程控制系统中，使用智能调节仪表作为控制器。 采用上海万讯仪表有限公司的 AI808 型仪表，采用 AI 人工智能调节方式，内含 PID 调节算法。 其可以在误差较大时运用模糊算法进。