双容水箱液位控制系统仿真

双容水箱液位控制系统仿真

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：

内蒙古科技大学

控制系统仿真课程设计说明书

题目：双容

水箱

液位

控制

系统

仿真

学生姓名：任志江

学号：1067112104

专业：测控技术与仪器

班级：测控 10-1班

指导教师：梁丽

课程名称

控制系统仿真 设计题目

双容水箱液位控制系统仿真 指导教师 梁丽 时间 2012.10.29~2012.11.02

一、教学要求

1、学会收集和查阅资料，学会针对指定控制系统建立数学模型的方法；

2、学会使用Matlab/Simulink 建模和仿真的方法；

3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。

二、设计资料及参数

1、双容水箱逻辑结构上图所示。 水流入量Qi 由调节阀u （FV101）控制，流出量Qo 则由用户通过负载阀R 来改变，被调量为下水箱水位h ，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。

2、对某种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s ，T2=80s ，K1=KuR1=1，K2=R2/R1=1，s s 22,81==ττ 。

三、设计要求及成果

1、分析系统，根据物料平衡原理（即液位平衡状态下，流出量必然等于流入量）和给出的参数推导系统的数学模型；

2、将数学模型转变为仿真模型，并用Matlab/Simulink 实现求其动态响应；

3、设计合理的控制器（控制算法）控制下水箱液位，使其尽量满足稳、准、快的要求；

4、针对大滞后系统，可以用Simulink 搭建带有Smith 预估器的PID 控制器，将该模块嵌入到控制系统中直接控制。并与第三步设计的控制器的控制效果进行比较；

定值 Q i LT 104 记Q o h

双容水箱结构图

FV101

5、完成5000字左右的课程设计报告（包括设计原理、设计过程及结果分析几部分），要求给出设计的模型图和仿真曲线图。

四、进度安排

1、根据给定的参数或工程具体要求，收集和查阅资料（一天）

2、Matlab/Simulink建模（一天）

3、控制系统设计与优化（两天）

4、编写课程设计说明书（一天）

五、评分标准

1）工作态度（占10%）；

2）基本技能的掌握程度（占20%）；

3）方案的设计是否可行和优化(40%)；

4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。

分为优、良、中、合格、不合格五个等级。

六、建议参考资料

1、李国勇，控制系统数字仿真与CAD[M]，北京：电子工业出版社，2003，9

2、王丹力，MATLAB控制系统设计仿真应用[M]，北京：中国电力出版社，2007，9

2、薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计[M]，北京：机械工业出版社，2005，1

3、金以慧，过程控制[M]，北京：清华大学出版社，2003，6

摘要

随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。本设计设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真。在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统。通过仿真参数整定及各个参数的控制性能，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。

关键词：MATLAB；PID控制；液位系统仿真

目录

第一章控制系统仿真概述 (2)

1.1 控制系统计算机仿真 (2)

1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (2)

第二章 PID控制简介及其整定方法 (6)

2.1 PID控制简介 (6)

2.1.1 PID控制原理 (6)

2.1.2 PID控制算法 (7)

2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 (8)

2.2.1 比例控制与其调节过程 (8)

2.2.2 比例积分调节 (9)

2.2.3 比例积分微分调节 (10)

2.3 PID控制的特点 (10)

2.4 PID参数整定方法 (11)

第三章双容水箱液位控制系统设计 (13)

3.1双容水箱结构 (13)

3.2系统分析 (13)

3.3双容水箱液位控制系统设计 (16)

3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (16)

3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (17)

第四章课程设计总结 (18)

第一章控制系统仿真概述

1.1 控制系统计算机仿真

控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和发展同步进行的。控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法。控制系统计算机仿真的过程包含如下步骤：

（1）建立控制系统的数学模型

系统的数学模型是指描述系统的输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。系统数学模型的建立可采用解析法和试验法，常见的数学模型有微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式。

（2）建立控制系统的仿真模型

根据控制系统的数学模型转换成能够对系统进行仿真的模型。

（3）编制控制系统的仿真软件

采用各种各样的计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统的仿真程序，或直接利用一些仿真语言。

（4）进行系统仿真试验并输出仿真结果

通过对仿真模型对实验参数的修改，进行系统仿真实验，输出仿真结果。如果应用MATLB的Toolbox及Simulink集成环境作为仿真工具，则构成了MATLAB仿真。

1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真

MATLAB是矩阵实验室(Matrix laboratory)之意。MATLAB其有以下主要特点：

（1）功能强大，实用范围广

MATLAB除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计