基于MATLAB水箱液位控制系统的设计

太原理工大学过程控制系统课程设计设计名称水箱液位系统的控制设计专业班级自动化0902学号姓名指导教师太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告-I-专业班级自动化0902学号姓名成绩目录摘要.............................................................................................................III任务书IV第1章绪论.....................................................................................................41．1过程控制的定义.....................................................................................41．2过程控制的目的.....................................................................................41．3过程控制的特点.....................................................................................51．4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..................................................................62．1人工控制与自动控制............................................................................62．2水箱液位控制系统的原理框图72．3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................................................................113．1被控制变量的选择..............................................................................123．2执行器的选择......................................................................................123.3PID控制器的选择.............................................................................153．4液位变送器的选择............................................................................16第4章PID控制规律.....................................................................................184．1比例控制............................................................................................184．2积分控制（I）.....................................................................................204．3微分控制（D）.....................................................................................204．4比例积分控制（PI）204．5比例积分微分控制（PID）.................................................................21第5章利用MATLAB进行仿真设计....................................................205.1MATLAB设计..................................................................................205.2MATLAB设计任务......................................................................2225.3MATLAB设计要求......................................................................2225.4MATLAB设计任务分析................................................................215.5MATLAB设计内容......................................................................2275.5.1主回路的设计..................................................................227……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告-II-5.5.2副回路的设计....................................................................255.5.3主、副回路的匹配............................................................265.5.4单回路PID控制的设计...................................................275.5.5串级控制系统的设计...................................................................325.5.6串级控制系统的PID参数整定34总结.......................................................................................................................36参考文献...............................................................................................................37太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告-III-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,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。关键词PID控制过程控制液位控制太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告-IV-课程设计任务书班级自动化0902学生姓名朱智慧指导教师设计（论文）题目水箱液位控制系统设计主要研究内容设计供水水箱的液位控制系统，要求在采用仪表控制的情况下，设计一个单回路控制系统，系统使用PID调节器。各环节选用适当的仪表和器件，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，并可以通过实验加以验证。分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点。系统在上下水流量发生变化时，能快速恢复到设定值。主要技术指标或研究目标本过程控制系统，检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1--5V，电流4--20mA，供电要求：三相380V交流电，24V直流电。通过本课题的设计，培养学生对自动控制系统的综合运用，对自动化仪表的选型、参数设计和调试的能力，检验所学习专业知识的综合利用能力，为今后工作打好基础。基本要求（1）设计水箱液位控制的系统方案。（2）各环节仪表的选型。（3）设计控制系统的控制方式和PID参数。（4）分析不同控制规律和不同参数下系统的特点。主要参考资料及文献1．《过程控制系统和应用》李国勇主编机械工业出版社2．《过程控制与自动化仪表》侯志林主编机械工业出版社3．《自动化仪表与过程控制》施仁主编电子工业出版社太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告-5-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。……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告-6-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