双容水箱液位串级控制系统的设计

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1、目录摘要1Abstract:21概述31.1过程控制介绍31.2液位串级控制系统介绍41.3MATLAB软件介绍41.4MCGS组态软件介绍52被控对象建模72.1水箱模型分析72.2阶跃响应曲线法建立模型73系统控制方案设计与仿真133.1PID控制原理133.2系统控制方案设计153.2控制系统仿真164建立仪表过程控制系统204.1过程仪表介绍204.2仪表过程控制系统的组建214.3仪表过程控制系统调试运行245建立计算机过程控制系统265.1计算机过程控制系统硬件设计265.2MCGS软件工程组态285.3计算机过程控制系统调试运行386结论40137双容水箱液位串级控制系

2、统的设计摘要：本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，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。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词：液位模型PID控制仪表过程控制系统计算机过程控制系统1.2液位串级控制系

3、统介绍在工业实际生产中，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。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。在液位串级控制系统的设计中将以

4、THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。1372被控对象建模在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位

5、。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析Q112Q2Ah图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。

6、液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡，Q1-Q2=A(dh/dt)；△Q1-△Q2=A(d△h/dt)在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简便起见，做线性化处理得Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(

7、Ts+1)注：△Q1﹑△Q2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量。R2:阀2的阻力A:水箱截面积T:液位过程的时间常数(T=R2C)K:液位过程的放大系数(K=R2)C:液位过程容量系数137图2.2水箱模型测定原理图3．求取上水箱模型传递函数在MATLAB的命令窗口输入曲线拟合指令：>>x=0:30:420；>>y=[06.8811.6315.0717.719.6921.1521.9422.5523.4423.6323.8424.1