水箱液位控制课程设计-自动化

课程设计报告

设计题目：水箱液位控制系统

班级：自动化0901班

学号：20092400

姓名：刘弟文

指导教师：王姝梁岩

设计时间：2012年5月7日至5月25日

摘要

水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。

本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。

关键词：水箱液位控制器PID参数整定串级控制前馈控制

目录

1 引言 (3)

2 课程设计任务及要求 (3)

2.1 实验系统熟悉及过程建模 (3)

2.2 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 (3)

2.3 实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计 (4)

2.4 实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 (4)

2.5 实现副回路进水流量的前馈控制 (5)

3 实验系统熟悉及过程建模 (5)

3.1 系统结构 (5)

3.2 过程建模 (6)

3.2.1 进水流量和主管道流量模型 (6)

3.2.2 进水流量和上水箱液位模型 (8)

3.2.3 副回路流量与上水箱液位数学模型 (9)

3.2.4 双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 (11)

4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 (12)

4.1 结构原理 (12)

4.2 单容水箱控制器PID参数整定 (13)

4.2.1 单容水箱比例系数Kp的整定 (14)

4.2.2 单容水箱积分时间参数整定 (14)

4.2.3 单容水箱微分时间参数整定 (14)

4.3 单容水箱旁路阶跃干扰响应曲线 (15)

4.4 单容水箱副回路进水阶跃干扰响应曲线 (16)

4.5 干扰频繁剧烈变化的解决办法 (16)

5 双容水箱液位的单回路控制系统设计 (17)

5.1 双容水箱单回路控制系统原理 (17)

5.2 双容水箱控制器PID参数整定仿真实验 (18)

5.2.1 比例参数的整定 (18)

5.2.2 积分常数参数的整定 (19)

5.2.3 微分常数参数的整定 (20)

5.3 双容水箱抗干扰能力检验 (20)

5.4 双容水箱提高控制质量方法 (21)

6 实现上水箱液位与进水流量的串级级控制系统设计 (21)

6.1 串级副回路参数整定 (23)

6.2 串级主回路参数整定 (24)

6.2.1 串级主回路比例参数整定 (25)

6.2.2 串级主回路积分参数整定 (25)

6.2.3 串级主回路微分参数整定 (26)

6.2.4 串级控制系统给定负阶跃响应曲线 (26)

6.3 副回路进水流量剧烈变化解决办法 (26)

7 副回路进水流量的前馈控制 (27)

7.1 副回路进水流量和水箱上液位前馈-反馈复合控制系统 (27)

7.2 前馈控制器模型的确立 (27)

7.3前馈-反馈复合控制系统PID参数整定 (28)

7.4 前馈-反馈复合控制系统不加前馈控制器 (28)

8 收获体会和建议 (29)

1 引言

通过本次课程设计，加深了对自控控制系统理论知识的理解，了解了一些工业生产过程中控制系统设计的过程，结合了所学的理论知识和实际工业应用过程，提高了动手能力。

通过对系统过程的建模及PID参数整定，对自动控制系统设计步骤有了更清晰的步骤。并发现自己理论知识的不足的地方，在今后的过程中应加强学习自己所缺乏的理论知识。

针对本次课程设计过程对老师们提出一点建议，本次课程设计的程序，界面都是事先做好的。我觉得下次老师可以把写程序和编界面作为课设的内容，让同学们有机会真正的熟悉设计一套控制系统的过程。

2 课程设计任务及要求

2.1 实验系统熟悉及过程建模

①描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。

②利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果。

③利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。

④利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。

⑤利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）。

2.2 实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计

①画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。

②采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。

③控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录