计控课设论文

目录

TOC \o "1-3" \h \z \u 第一章概述 (1)

1.1设计题目 (1)

1.2课程设计的目的 (1)

1.3课程设计的主要内容和要求 (1)

1.3.1 实验系统技术数据 (1)

1.3.2 水箱内水流的假设 (2)

1.3.3 工作内容及要求 (2)

第二章双容水箱系统的数学建模 (3)

2.1 双容水箱系统机理模型 (3)

2.2 阻力板流量特性分析 (4)

2.3 双容水箱的线性数学模型 (8)

2.4 控制算法设计 (9)

第三章双容水箱系统数学建模的仿真 (10)

3.1控制系统仿真环境 (10)

3.1.1 MATLAB简介 (10)

3.1.2 SIMULINK仿真环境 (10)

3.1.3 双容、多容水箱系统的仿真分析 (10)

3.2双容水箱系统数学建模的参数整定 (12)

3.3运用力控组态软件对系统进行设计分析 (15)

3.3.1 I/O点收集及表单 (15)

3.3.2创建实时数据库 (16)

3.3.3制作双容液液位控制系统主画面 (17)

第四章课设总结 (19)

第五章主要参考文献 (20)

第一章概述

1.1设计题目

液位控制系统的设计与实现

1.2课程设计的目的

通过本设计，学生可以加深对液位控制这一过程系统建模、仿真、分析、控制策略设计及实现的理解，熟悉过程对象的控制特性，较好地掌握计算机控制系统的典型分析方法、基本设计方法及实现方法，提高观察、分析和解决问题的能力，培养严谨的科学态度，获得科学研究的初步技能。

1.3课程设计的主要内容和要求

1.3.1 实验系统技术数据

双容水箱——水箱横截面图（单位：mm）：

流入上水箱水的最大流量233219 mm3/s

差压变送器——电容式，变送器输出信号范围：4～20 mA

气动薄膜调节阀—— ZMAY型，气关式

电/气转换器—— QZD型，输入信号：4～20mA电流信号；输出信号：0.02～

0.1MPa气动模拟信号。

数据采集卡—— PCI-8333

1.3.2 水箱内水流的假设

在进行阻力板流量特性分析时，水箱中的水流是相当复杂，无法精确的分析，而且液体具有收缩性、粘性等性质。所以在分析流量特性的过程中只能在理想条件下求解，最后通过实验测定阻力板流量系数，加以修正。水箱中的水波和涡流经过隔板的多次削弱后，水流可以认为是平缓的紊流，因此对流过阻力板的水流做如下的假设：

(1) 流过阻力板同一高度任一微小面积上的水流速度大小相等，且方向平行；

(2) 水流通过阻力板平面时做垂直于该平面的运动；

(3) 水流经过阻力板后的压强为大气压；

(4) 流过阻力板的水流不计粘滞力和表面张力的影响。

1.3.3 工作内容及要求

①系统组成分析

认真阅读设计中用到的实验装置的使用说明书，分析液位控制系统的组成、工作原理、特性参数。

②控制方案制定

制定液位控制系统的控制方案，包括拟采用何种控制策略控制、使用何种软件环境实现、计划达到何种控制效果。

③水箱的数学建模

建立双容水箱数学模型并分析其控制特性。

④控制策略设计及仿真研究

设计液位控制系统的控制策略，并在Matlab/Simulink环境下仿真研究，得到较为满意结果。

⑤控制策略实现

将设计的控制策略在组态软件下实现，同时实现输入输出数据显示和曲线绘制、过程动画组态等功能。

第二章 双容水箱系统的数学建模 2.1 双容水箱系统机理模型

同对单容水箱系统进行机理建模一样，首先要先简化系统结构，双容水箱系统结构。见图2.1。

与传统的连通式双容水箱相比，有如下不同：

① 插入阻力板可以灵活改变其流出量的流量特性；

② 液体流出量受阻力板影响，随液位的变化而变化，不能直接控制； ③ 水流流形相当复杂，而且液体具有收缩性、粘性等性质，具有明显的水力学特性，流量特性的难以确定，导致数学建模复杂；

④ 数学模型复杂，具有多阶次、强非线性的特点，控制难度大。 根据动态物料平衡关系，单位时间内进入被控过程的物料减去单位时间内从被控过程流出的物料等于被控过程内物料存储量的变化率。

1111112122

2223

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i

dh q q C dt

q f h dh q q C dt q f h dh q q C dt q f h

⎧-=⎪⎪

=⎪⎪-=⎪⎨

⎪=⎪⎪-=⎪⎪

=⎩

所以状态方程为 Q 3

液容定义为引起单位位能变化所需要的容器中存储液体量的变化，容器的液容等于容器的横断面积。

图2.2 水箱横截面图

1号水箱的液容：

2号水箱的液容：

2.2 阻力板流量特性分析

由于每个水箱的水流经过阻力板后流出，阻力板板孔非常小，靠近板孔的水流向孔内收缩，水流不断加速，如图4.2所示。在进行阻力板流量特性分析时，水箱中的水流是相当复杂，无法精确的分析，而且液体具有收缩性、粘性等性质。

所以在分析流量特性的过程中一般只能在理想条件下求解，最后通过实验测定阻力板流量系数，加以修正。

图2.3 阻力板水流

本装置中具有专门针对水的流形、水箱的多级水流避震、消弱多项措施。

水箱中的水波和涡流经过隔板的多次削弱后，水流可以认为是平缓的紊流，因此对流过阻力板的水流做如下的假设：

1、流过阻力板同一高度任一微小面积上的水流速度大小相等，且方向平行。

2、水流通过阻力板平面时做垂直于该平面的运动。

3、水流经过阻力板后的压强为大气压。

4、流过阻力板的水流不计粘滞力和表面张力的影响。