水箱液位控制系统

-1-课程设计报告设计题目：水箱液位控制系统班级：自动化0901班学号：20092395姓名：郝万福指导教师：王姝梁岩设计时间：2012年5月7号----5月25号-2-摘要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。在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。通过这次课程设计加深我们对《自动控制原理》、《过程控制系统及仪表》等科目的理解。关键词：水箱液位控制PID参数整定串级控制前馈控制MATLAB仿真-3-目录1．概述.......................................................-4-2．课程设计任务及要求.........................................-5-2.1实验系统熟悉及过程建模.................................-5-2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计..............-5-2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计....-6-2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计..........-6-2.5实现副回路进水流量的前馈控制............................-7-3实验系统熟悉及过程建模......................................-8-3.1描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。...........-8-3.1.1水箱液位控制系统的原理框图·······················································-8-3.1.2水箱液位控制系统的数学模型·····················································-8-3.2利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。-9-3.3进水流量和上水箱液位模型..............................-11-3.4副回路流量与上水箱液位数学模型........................-12-3.5双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型...................-14-4单容水箱液位的单回路控制系统设计...........................-16-4.1结构原理..............................................-16-4.2单容水箱控制器PID参数整定............................-17-4.3旁路阶跃干扰响应曲线..................................-19-4.4副回路进水阶跃干扰响应曲线............................-20-4.5干扰频繁剧烈变化的解决办法............................-20-5.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计.......-22-6.实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计.............-27-7.实现副回路进水流量的前馈控制...............................-33-8.总结.......................................................-36--4-1．概述本次课程设计，是让我们应用自控控制原理和过程控制理论知识来设计水箱液位控制系统。在实验过程中，我们用到了wincc软件，调节阀，传感器，PLC等原件，使得我们对于工厂的一些基础设备有了一定了解。在设计过程中，我们通过手动和自动调节使液位保持平衡，以及通过经验凑试法来调节PID参数，这使得我们对于自动控制原理和过程控制系统及仪表课本加深理解，对工业生产中的液位控制有了一定了解，同时也学以致用，不再局限于书本的知识，培养我们独立思考的能力和小组合作精神。-5-2．课程设计任务及要求2.1实验系统熟悉及过程建模描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果。利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）⑤利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）2.2实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。-6-2.3实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。2.4实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。要求写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。-7-打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。2.5实现副回路进水流量的前馈控制画出此前馈-串级复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。试求解前馈控制器的模型。采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时，控制系统达到满意的控制质量。写出前馈控制器参数的调试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。-8-3实验系统熟悉及过程建模3.1描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。3.1.1水箱液位控制系统的原理框图水箱液位控制系统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。图3-1水箱液位控制系统的原理框图这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。3.1.2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。确定过程的输入变量和输出变量液位变送器+PID控制器控制阀电动控制阀阀器阀电动控制阀阀器阀器液位_水箱-9-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。3.2利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。图3-3系统结构图模式关闭副管道回路控制系统，利用主管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将阀的开度设置为20%，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。突然改变阀的开度，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3-4所示：2L1F2F1tL()L(t)L(0)图3-2水箱液位过程及其阶跃响应曲线-