基于MATLAB水箱液位控制系统的设计

基于MATLAB水箱液位控制系统的设计
第1章绪论 (4)
1．1过程控制的定义 (4)
1．2过程控制的目的 (4)
1．3过程控制的特点 (5)
1．4过程控制的发展与趋势 (5)
第2章水箱液位控制系统的原理 (6)
2．1 人工控制与自动控制 (6)
2．2 水箱液位控制系统的原理框图 7 2．3 水箱液位控制系统的数学模型 (8)
第3章水箱液位控制系统的组成 (11)
3．1 被控制变量的选择 (10)
3．2 执行器的选择 (10)
3. 3 PID控制器的选择 (13)
3．4 液位变送器的选择 (14)
第4章 PID控制规律 (16)
4．1 比例控制 (16)
4．2积分控制（I） (18)
4．3微分控制（D） (18)
4．4比例积分控制（PI） 20 4．5比例积分微分控制（PID） (19)
第5章利用MATLAB进行仿真设计.......................................... ....... ..20
5.1MATLAB设计 (20)
5.2 MATLAB设计任务 (220)
5.3 MATLAB设计要求 (220)
5.4 MATLAB设计任务分析 (21)
5.5 MATLAB设计内容 (224)
5.5.1主回路的设计 (224)
5.5.2副回路的设计 (25)
5.5.3主、副回路的匹配 (26)
5.5.4 单回路PID控制的设计 (27)
5.5.5串级控制系统的设计 (30)
5.5.6串级控制系统的PID参数整定 34
总结 (36)
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。

因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。

本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。

作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。

选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间
和超调量等控制品质的要求。

第1章绪论
1．1过程控制的定义
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。

电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。

凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。

过程控制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。

1．2过程控制的目的
生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有着一定的控制要求。

有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。

例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作的压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。

有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。

例如，用蒸汽加热反应器或在沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难；中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。

有些工艺变量是决定安全生产的因素。

例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全。

还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。

例如，某些混合气体环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标范围。

综上所述，过程控制的主要目标包括一下几个方面：
①保障生产过程的安全和平稳；
②达到预期的产量和质量；
③尽可能地减少原材料和能源损耗；
④把生产对环境的危害降低到最小程度。

由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、
促进文明生产、保证生产安去和提高劳动生产率的重要手段，使20世纪科学与进步的特征，市工业现代化的标志之一。

1．3过程控制的特点
生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。

显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度，过程控制有如下特点：
①被控对象的多样性；
②对象存在滞后；
③对象特性的非线性；
④控制系统比较复杂。

由于对象的特性不同，其输入与输出可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制其的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。

这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性复杂且难以认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。

目前已设计出的各种各样的控制系统（如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等），都是通过必要的理论计算，采用现场的方法达到过程控制的目的。

1．4过程控制的发展与趋势
20世纪40年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个反面有着深远的影响。

与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。

自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。

至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。

有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论成为第一代控制理论，第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。

这时候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。

到第二次时间大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist(1932)和Bode（1945）频率法分析技术及稳定判据、Evens 根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟的阶段，这是第二代控制理论。

从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，
各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。

20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统（LOG）设计宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。

从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。

过程控制是随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段：基地式控制阶段（初级阶段）、单元组合仪表自动化阶段、计算机控制的初级阶段、综合自动化阶段。

第1章水箱液位控制系统的原理
2．1 人工控制与自动控制
下图为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量。

手工控制的过程主要分为三步：
①用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑；
②大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后
根据操作经验发出控制命令；
③根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀（或进水阀）的开度，使水箱液位包
持在工艺要求的高度上。

在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手、三个器官，分别担负了检测、判断、和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持水箱液位的恒定。

如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。

在自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。

这样就完成了所要求的控制任务。

这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统。

2．2 水箱液位控制系统的原理框图 本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系
统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。

简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。

对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：
由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下：
2．3 水箱液位控制系统的数学模型
该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的
平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。

（1） 确定过程的输入变量和输出变量
如下图所示，流入水箱的流量1F 是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量2F 取
决于水箱液位L 和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。

这里，液位L 是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量1F 是过程的控制输入（即操纵量），出料流量2F 是外部扰动。

本设计以进料流量1F 作为输入变量。

（2）根据过程内在机理，列写原始方程
根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其静态方程为：10F -20F =0（1—6），10F 、20F 分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量1F 突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。

设水箱液体的储存量为V ，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。

其动态方程为：1F -2F =dt
dv （1—7）1F =110F F ∆+、1202F F F ∆+=，1F ∆、2F ∆分别为1F 和2F 的增量。

设水箱截面积为A ，则有V=AL ，其增量形式为dV=AdL ，即：dt
dL A dt dV =（1—8）。

将1F =110F F ∆+、1202F F F ∆+=和式（1—8）代入式（1—7），得dt
L d A F F F F ∆=∆--∆+220110 （1—9）。

将式（1—9）减去式（1—6）可得用新增量形式表示的动态方程式，为：
dt
L d A F F ∆=∆-∆21 （1—10） （3）消去中间变量，简化，求的微分方程式
中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。

式（1—10）中，2F ∆为中间变量。

2F 与输出变量L 的关系可表示为：。