双溶液位计算机控制系统

华北水利水电大学NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower课程设计题目双溶液位计算机控制系统学院电力学院专业自动化姓名学号指导教师完成时间目录摘要--------------------------------------------------------------------------------------------1第1章生产工艺和控制原理介绍-------------------------------------------31.1生产工艺和控制原理介绍--------------------------------------------31.1.1PID控制算法-------------------------------------------------------31.1.2PID控制器控制规律--------------------------------------------31.1.3PID参数的整定方法--------------------------------------------41.2积分分离PID控制算法----------------------------------------------5第2章相关参数及仪表选择------------------------------------------------------72.1检测,变送装置-----------------------------------------------------------------72.2控制器-----------------------------------------------------------------------------9第3章控制方框图及控制系统流程图---------------------------------------103.1控制系统方框图----------------------------------------------------------103.2控制系统流程图-----------------------------------------------------------11第4章仿真模型,仿真程序,仿真结果------------------------------------124.1被控参数的整定-----------------------------------------------------------124.1.1广义对象的传递函数--------------------------------------------124.1.2等效一阶纯滞后系统---------------------------------------------134.1.3控制参数的整定---------------------------------------------------144.2仿真程序设计----------------------------------------------------------------154.3仿真结果及分析------------------------------------------------------------17第5章总结与展望------------------------------------------------------------------20第6章心得体会---------------------------------------------------------------------22致谢-------------------------------------------------------221双容液位计算机控制系统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、实用控制算法对工业生产具有积极有效的推动作用。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数字积分分离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：双溶液位MATLAB数字积分分离PID2DoublecapacitylevelcomputercontrolsystemABSTRACTWiththerapiddevelopmentofindustrialproduction,theproductionprocessautomationcontrollevel,industrialproductsandservicestotherequirementsoftheproduct'squalityisalsohigh.Everyadvancedandpracticalcontrolalgorithmhasapositiveandeffectiveroleforindustrialproduction.ThisdesigndesignsubjectisdoubleletwatertankliquidlevelofthePIDcontrolsystemsimulation.Inthedesign,mainlyfordoubleletwatertankisstudiedandsimulated.Themaincontentofthispaperinclude:determinethecharacteristicofthetankwiththeexperimentalcurveanalysis,throughtheexperimentalmethodtoestablishthemathematicalmodelofwaterlevelcontrolsystem,designedthecontrolsystem,tochoosetheselectedlevelcontrolsystemdigitalintegralseparationPIDalgorithm.MATLAB/Simulinktoestablishaliquidlevelcontrolsystem,thecontrollerUSESthePIDcontrolsystem.Throughsimulationparametersettingandcontrolperformanceofthevariousparameters,thesimulationcurvesareobtainedbyanalysis,summarizestheparameterseffecttheperformanceofthesystem.Keywords：DoublecapacitylevelMATLABDigitalintegralseparationPID3第1章生产工艺和控制原理介绍1.1生产工艺与控制原理介绍双容水箱液位控制系统是采用先进的PID控制算法完成对过程液位的控制的控制系统。在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制，本设计中充分利用了自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。本系统通过PLC编程等方式实现对液位的串级PID控制。当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。在过去的十几年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。常规PID控制系统原理如图3.1所示。这是一个典型的单位负反馈控制系统，它由PID控制器和被控对象组成。图3.1PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值e(t)构成偏差e(t)=r(t)-c(t)++r(t)比例P积分I微分D被控对象y(t)41.1.1PID控制算法控制规律对应模拟PID的传递函数KP:比例系数TI:积分时间常数TD:微分时间常数。1.1.2PID控制器各控制规律的作用（1）比例控制（P）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：消除系统稳态误差，它能对稳定后有累计误差的系统进行误差修整，能够实现控制系统的无差调解。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强；反之Ti大，则积分强度越弱。加入积分调解使系统的稳定性下降，动态响应变慢，积分常与另外两种调解规律结合，组成PI调解器或者PID调节器。（3）微分控制（D）：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性。能预见偏差的变化趋势，因此产生超前的控制作用，在偏差还没有形成没之前，已被微分作用消除。因此可以改变系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调解时间。微分作用对干扰有放大作用，因此过强的微分作用对系统的抗干扰不利。控制时，应选择合适的微分强度。1.1.3PID控制器参数整定的方法一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要01tdetUtKpeteiTdTidt5有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。（1）Ziegler-Nichols经验公式(Z-N公式法)。该方法先求取系统的开环阶跃响应曲线，根据对象的纯迟延时间、时间常数和放大系数，按Ziegler-Nichols经验公式计算PID参数。（2）稳定边界法(临界比例度法)。该方法需要做稳定边界实验，在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控对象现临界振荡为止，记下临界振荡周期和临界比例带。（3）衰减曲线法。该方法与临界比例度法类似，在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控量出现4:1的衰减过程为止，记下此时比例带以及相邻波峰之间的时间。然后按照经验公式确定PID参数。1.2积分分离PID控制算法在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。特别对于液位等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。为此，可采用积分分离措施，即偏差e（k)较大时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。即：当e（k）r时，采用PD控制；当e（k）r时，采用PID控制。积分分离阀值r应根据具体对象及控制要求。若r值过大时，则达不到积分分离的目的：