液位系统的控制算法设计开题报告

液位是工业生产过程中经常用到的控制参数之一，对所需的控制对象进行精确的液位控制关系到产品的质量，是保证生产效果和安全的重要问题，因而液位的控制具有重要的现实意义和广泛的应用前景，近年来随着控制理论的深入研究，出现了许多新的算法，但是以PID为原理的控制器仍是过程控制中不可或缺的基本单元，根据多容液位系统的特点，设计合适的PID控制器对其进行液位控制，不仅成本低而且效果很好，具有较高的使用价值。
对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。
(3)控制系统较复杂
从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。
本设计选择双容水箱，是因为此系统是典型的非线性、时延对象，工业上许多复杂的被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。本设计要求掌握所学的自动控制理论，通过选择合适的PID控制器设计一个双容水箱水位的控制模型，并运用matlab进行仿真，用于检测所设计系统的可行性及稳定性。
由于逐步逼近法步骤非常繁琐，费时费力，在实际中已经很少使用，此外为相对提高控制器参数的合理性，本设计采用应用最为广泛的两步整定法整定PID参数。
6、本课题的进度安排：
进度单排
序号
毕业设计（论文工作进度）
日期（起止周数）
%
1
查阅资料、确定方案
1-2
20%
2
设计控制器算法
3-5
10%
3
控制系统分析及设计
（二）实现途径方法和步骤：
1、主副回路的设计
为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。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。
2、主、副变量设计
主变量：为了下水箱的液位在控制系统的作用下能够稳定、准确、快速地维持在期望的液位上，且下水箱液位能直接反应控制系统的质量且易于检测，选择下水箱液位作为主变量。
[10]王积伟，吴振顺.控制工程基础.北京：高等教育出版社，2009.
[11]张显库，贾欣乐．基于闭环增益成型的鲁棒PID算法及在液位控制中的应用．中国
造船[J]．V01．41第三期(总第150期)，2000.
[12]薛毅，数学建模基础，北京：工业大学出版社，2004
8、指导教师意见：
指导教师（签名）：
副变量：由于副对象是上水箱，为使主要的和更多的干扰落入副回路，此外现在对于液位的测量有成熟的技术和设备，故选择上水箱液位值作为副变量。
3、操作变量设计
双容水箱有两个流量影响液位，流入上水箱的和流入下水箱的，而如果流入下水箱的阀门断电则会造成水箱溢水，因此选择流入水箱的流量为变量。
4、主、副控制器设计
[8]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计.北京：机械工业出版社，2006
[9]Kenichiro Hayashi．Realization of Nonlinear and Linear PID Controls Using Simplified Indirect Fuzzy Inference Method．IEEE Transactions on Fuzzy Systems，1999.
国内也有一些厂家研制了双容水箱液位系统。GWT系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成，并经过香港城市大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既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。开放的控制器平台，便于用户进行自己的控制器设计，满足创新研究的需要。THJS-1型双容水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。
5、研究思路、方法和步骤：
（一）研究思路：
本题目内容为设计双容水箱液位的串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，过程控制和自动控制技术，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，设计PID控制器，在Matlab/Simulink环境下建立双容水箱控制的仿真模型，对PID控制算法进行仿真研究，通过仿真实验，证明该设计方法可行性和该算法的正确性。
液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：
[4]郭阳宽，王正林.过程控制工程及仿真：基于MATLAB/Simulink.北京：电子工业出版社，2009.
[5]张早校，王斯民.过程控制装置及系统设计.北京：北京大学出版社，2010
[6]2王毅，张早校.过程装备控制技术及应用.北京：化学工业出版社，2010
[7]Pham,D.T.,Li,D,Fuzzy control of a three-tank system.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,PartC:Journal of Mechanical Engineering Science,2001.
3、本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：
将合适的控制器用于液位控制系统，该系统的水位位置控制室通过出水管和进水管的流量差值的大小来反映水位高低的，根据它们的不同变化应用控制器对阀门进行调节控制。控制系统通过Matlab Xpc-target环境构建。实现双容水箱的快速、小超调的控制。加深对该类被控对象的理解，以及PID、模糊、串级控制的认识。设计多种PID控制器，包括串级控制或模糊控制的结合，完成仿真及实验过程。
年月日
9、所在系意见：
负责人（签名）：
年月日
2、文献综述（国内外研究情况及其发展）：
德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一，在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了Amira公司研制的双容水箱过程控制实验装置。但是，由于德国Amira自动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。
本设计为基于matlab的双容对象液位控制的设计和仿真，其重点内容在于根据被控过程建立合适的数学模型，而数学模型的建立有三种，一是机理演绎法；二是试验辨识法；三是机理演绎与试验辨识将结合的方法，而双容水箱根据动态平衡关系，运用机理演绎法建立合适的数学模型，确定函数关系。继而确定系统的控制方案，包括系统的构成、控制方式和控制规律的确定，最后用matlab语言进行仿真，通过系统仿真解决理论设计中难以考虑或者考虑不周的问题，以便最终确定控制方案和各个环节的有关参数。
液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的PID控适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果并行业广泛应用。
(1)对象存在滞后
热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。
(2)对象特性的非线性
6-8
20%
4
控制系统仿真
9-12
20%
5
翻译英文资料、撰写设计说明书
13-14
30%
7、参考文献：
[1]刘文定，王东林.过程控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2009
[2]〔美〕George Elllis著，刘君华，汤晓军译.北京：电子工业出版社，2006.
[3]李宜达.控制系统设计与仿真.北京：清华大学出版社，2004.
主变量是系统生产工艺的重要指标，且对控制质量要求较高，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。
5、控制参数的整定
串级控制系统主副控制器串联在一起，其中任意一个控制器的参数发生变化对整个系统均有影响，因此串级控制系统的参数整定比单回路控制系统要复杂。在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法、一步整定法等。