水箱液位控制设计

目录

第一章概述 (1)

1.1 题目背景及应用意义 (1)

1.2 本文内容及工作安排 (2)

第二章被控对象数学建模 (3)

2.1 系统组成 (3)

2.2被控对象数学建模 (6)

第三章控制策略设计及仿真研究 (12)

3.1 控制策略设计 (12)

3.2 仿真研究 (14)

第四章控制策略实现 (20)

4.1 组态环境下控制策略编程实现 (20)

4.2 运行结果分析 (23)

第五章总结 ........................................... 错误!未定义书签。参考文献 ............................................... 错误!未定义书签。附录被控对象S函数源代码 ............................. 错误!未定义书签。

第一章概述

1.1 题目背景及应用意义

题目背景：

双容水箱液位控制系统实验装置是模拟工业生产过程中对液位,流量参数进行测量、控制、观察其变化特性、研究过程控制规律的工具,具有过程控制的大惯性、大时延、非线性、难以对其进行精确控制的一般特点,是研究控制理论与控制过程、过程控制教学、实验和研究的理想课题。

液位控制的工业应用自动控制技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。国内现在做液位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在液位控制工业应用中的重要地位和作用，70年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，实现了过程控制最优化与自动化技术相结合的计算机控制，随着这个过程，控制理论的应用有了新的发展，各种先进控制技术也能广泛应用于工业过程。液位控制本身具有过程控制中动态过程的一般特点：大惯性、大时延、非线性，控制过程比较复杂，但是，随着社会生产力的发展，自动化技术的日趋成熟，各种先进控制技术也应用到液位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、还有可以用神经网络进行控制，甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了控制效果。

应用意义：

在现代化的工业生产过程中，液位是过程控制中的常见参数，被处理物料的液位高低直接影响到生产过程能否顺利进行，因此对生产过程中的各类原料贮罐、反应器、塔器等单元操作设备进行液位控制就显得尤为重要。将单元操作设备所处理的物料液位限制在工艺允许的波动范围内，是液位控制系统最主要的控制目标。随着工业的发展．液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛，它对生产的影响不容忽视。例如，

在石油化工轻工和食品等工业生产过程中,有许多贮罐作为原料,为保证生产过程能连续的正常进行,必须对贮罐的液位进行控制；居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的还有一些水处理的过程也许要对蓄水池中的液位实施控制液位需要维持合适的高度；锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节，汽包水位是工业锅炉安全稳定运行的重要指标,是自动控制系统主要控制目标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质，减少设备损耗和运行损耗，确保整个热力网安全运行具有重大意义。诸如此类的应用还有很多，总而言之，液位控制是工业中常见的过程控制，液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等各个行业中应用极为普及，对此进行研究有很高的实用价值。

1.2 本文内容及工作安排

本课程设计的主要工作内容是使双容水箱系统的下水箱液位位保持在设定值不变。具体包括以下几个方面：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。

本课程设计说明书包括五章，分别是概述、被控对象数学建模、控制策略设计及仿真研究、控制策略实现和总结。第一章是全文的概述，一方面对本设计课题的背景及应用意义作简要阐述，旨在使读者对本设计的意义与方向有一个总体的把握，另一方面，介绍了本文内容及工作安排；第二章是被控对象数学建，首先介绍了该系统由哪几部分组成，每一部分分别完成何种功能，并且整个系统的具体工作原理、工作过

程是怎么样的，然后又阐述了对被控对象的分析以及被控对象的数学模型的建立等详细过程，其中设计用到了大量水力学的知识；第三章是控制策略设计与仿真，首先这一部分主要阐述设计控制策略或控制算法的全过程，然后介绍了在MATLAB/SIMULINK 环境下仿真模型的建立、从仿真结果分析控制策略的性能、仿真中反映的一些问题及解决措施等主要内容。本设计采用典型I型系统设计控制器，设计出的为比例积分控制器。在MATLAB/SIMULINK里建立文件，并且进行仿真。对仿真出的图像进行分析，从而得出系统的性能指标，并考虑如何改进才可以达到更好的控制效果；第四章为控制策略实现，首先讲述了仿真验证后的控制策略或控制算法在力控组态环境下的组态实现过程，然后讲述了对控制策略或控制算法在力控组态环境下的组态实现后，进行实物控制的结果分析；第五章为总结，本部分主要是对整个设计工作总结，具体取得哪些成绩，还存在哪些不足及急需改进之处。

第二章被控对象数学建模

2.1 系统组成

三容水箱实验装置由计算机、水箱主体、差压变送器、气动调节阀、I/V转

换装置、电/气转换装置、空气压缩机、水泵等组成,总体结构如图1所示，本实验中只用到2号水箱和3号水箱组成的双容液位系统。

（1）计算机

计算机是整个液位控制系统的控制核心，在计算机上安装了力控组态软件及板卡驱动，用我们编写好控制脚本程序，通过设置好的端口与板卡连接，控制整个液位系统。

（2）水箱主体

水箱主体是由三个透明有机玻璃水箱、一个蓄水槽及多个阀门和连接件构成, 本实验中只用到2号水箱和3号水箱组成的双容液位系统，对每个水箱可以采用插入阻力板的方法来改变其流出的流量特性,其阻力板根据缝隙式流量计原理设计为线性阻力板和非线性阻力板可以根据需要构成不同类型的被控对象，如线性和非线性等，本实验中用到的为线性阻尼板。

（3）PCI-8333 多功能接口卡

PCI-8333 多功能接口卡是计算机与液位控制系统连接的中间枢纽和转换装置，三容水箱通过PCI-8333 多功能接口卡与计算机相连。在PCI-8333 多功能接口卡中设有A/D、D/A 转换装置，以方便连接使用；最后操作系统中安装接口卡驱动，并进行一些设置与硬件设备相对应。

（4）差压变送器

三容水箱采用电容式差压变送器来测量水箱液位，变送器输出信号范围：4～20 mA。被测差压通过电容传感器转换成电容差和电容和之比的变化,次变化经转换部分的电子线路转换为直流输出信号。

（5）I/V转换装置

变送器输出信号范围：4～20 mA，欲转换成电压信号需用到I/V转换装置，转换后的结果为0～10V。

（6）气动调节阀