雙容水箱液位串級控制(完整版)實(shí)用資料

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雙容水箱液位串級控制（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）本科畢業(yè)設(shè)計論文題目雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)名稱自動化學(xué)生姓名凸凸指導(dǎo)教師00000000000畢業(yè)時間2021.6設(shè)計論文畢業(yè)任務(wù)書一、題目雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計二、指導(dǎo)思想和目的要求通過畢業(yè)設(shè)計使學(xué)生對所學(xué)自動化專業(yè)知識和理論加深理解，掌握自動控制原理以及過程控制系統(tǒng)和仿真的基本方法。要求畢業(yè)設(shè)計中：1、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型2、設(shè)計雙容水箱液位單回路反饋控制系統(tǒng)，采用PID控制并進(jìn)行仿真以及參數(shù)整定。3、設(shè)計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。先對未加校正的串級控制進(jìn)行仿真，然后在串級控制加入控制規(guī)律，進(jìn)行仿真以及參數(shù)整定，并與之前未校正的串級控制以及單回路反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。三、主要技術(shù)指標(biāo)1、超調(diào)量≤5%2、穩(wěn)定時間＜30S3、穩(wěn)態(tài)誤差=0四、進(jìn)度和要求1、1-3周：收集查閱資料；2、4-6周：完成總體方案設(shè)計和建模；3、7-8周：完成系統(tǒng)分析和控制規(guī)律設(shè)計；4、9-11周：完成仿真驗(yàn)證及修改；5、12-13周：完成畢業(yè)設(shè)計論文.五、主要參考書及參考資料[1]王再英,劉懷霞.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京：人民郵電出版社,2003.6[2]胡兵.過程控制[M].上海：機(jī)械工程出版社,2004.8[3]胡壽松.自動控制原理[M].北京:機(jī)械工程出版社,2007.6[4]盧京潮.自動控制原理[M].北京：人民郵電出版社,2021.8[5]劉永信，陳志梅.現(xiàn)代控制理論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.9學(xué)生凸凸指導(dǎo)教師系主任___________

摘要過程控制是自動化技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對液位、溫度、流量、等過程變量進(jìn)行控制，在冶金、機(jī)械、化工、電力等方面得到廣泛應(yīng)用。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如，民用水塔供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水進(jìn)水，如果排水或者進(jìn)水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，基本上都是勞動強(qiáng)度大或者操作有一定危險性的工作性質(zhì)，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家損失?？梢?，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。在本設(shè)計中以液位控制系統(tǒng)的水箱作為研究對象，水箱的液位為被控制量，選擇了出水閥門作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。建立了串級液位控制算法。雖然PID控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。但是要想取得良好的控制效果，必須合理的確定PID的控制參數(shù)，使之具有合理的數(shù)學(xué)模型。本次畢業(yè)設(shè)計的主題主要是基于matlab\simulink的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計，控制對象為水箱液位，而通過matlab軟件來模擬仿真。液位控制在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要的分量，它對生產(chǎn)的影響不容忽視，為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，對液位進(jìn)行及時有效的控制是非常必要的。關(guān)鍵詞：液位控制，PID控制，串級控制，matlab\simulinkABSTRACTProcesscontrolisanimportantapplicationfieldofautomatictechnology,itistopointtothelevel,temperature,flowcontrolprocessvariables,suchasinmetallurgy,machinery,chemical,electricpower,etccanbewidelyused.Especiallyliquidlevelcontroltechnologyinreallife,playedanimportantroleinproduction,forexample,thewatersupply,civilwatertoweriflowwaterlevels,canaffectpeople’slivesinwater;Industricalenterprisewithwater,ifthedrainagewaterdrainageorcontrolledproperlyornot,inrelationtotheworkshopofcondition;Boilerdrum,ifthecontrollevelboileristoolow,canmakelevelboileroverheating,possibleaccident;Jingflow,liquidlevelcontroltowercontrolaccuracyandlevelofthecraftcaninfluencethequalityoftheproductsandthecost,etc.Intheseproductionfield,arebasicallylaborstrengthortheoperationhascertainrisknatureofwork,extremelypronetoaccidentscausedbyoperatingerror,thelosses,killingmanufacturer,Visible,inactualproduction,liquidlevelcontrolaccuracyandcontroleffectsdirectlyaffectthefactoryproductioncostandeconomicbenefitofsafetycoefficient.Evenequipmentso,inordertoensuresafety,convenientoperation,youhavetoresearchthedevelopmentofadvancedlevelcontrolmethodsandstrategies.Inthedesignofthetankasaresearchobjectinliquidlevelcontrolsystem,amountofliquidlevelinthetanktobecontrolled,selectedtheoutletvalvebodiesintheimplementationofacontrolsystem.EstablishmentofthePIDcontrolalgorithmofliquidlevel.AlthoughthePIDcontrolisoneofthemostwidelyusedincontrolsystemscontrolalgorithms.Buttogetgoodcontrolofeffects,thedeterminationofPIDcontrolparametersmustbereasonable,sothatithasareasonablemathematicalmodel.Thegraduationdesigntopicistheliquidlevelcontrolsystembasedonmatlab\simulinkcontrol.Amongthemwascontrolledobjectfortanklevel,matlabismainlyusedinthesimulationtest.Inmodernindustrylevelcontrolofimportantcomponent,itinfluenceuponproductionnotallowtoignore,inordertoensuresafetyinproductionandtheproductqualityandquantity,thelevelandperformeffectivecontrolisverynecessary.KEYWORDS：liquidlevelcontrol,PIDcontrol，cascadecontrol,matlab\simulink目錄第一章緒論11.1選題背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2過程控制的特點(diǎn)2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀2液位控制的前景31.3本文研究內(nèi)容4第二章建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型52.1數(shù)學(xué)建模的基本概念52.2數(shù)學(xué)建模的過程52.3數(shù)學(xué)建模的建立方法6機(jī)理法62.4雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立6單容水箱數(shù)學(xué)模型的建立6雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立72.5確定被控參數(shù)及控制變量8第三章液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計103.1單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計103.2控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定103.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計12串級控制系統(tǒng)的設(shè)計思想12主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇133.4串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定14第四章控制系統(tǒng)的仿真164.1單回路控制系統(tǒng)的仿真164.2串級控制系統(tǒng)的仿真214.2.1無調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)21加入調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)224.3單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的比較23第五章全文總結(jié)25參考文獻(xiàn)26致謝27畢業(yè)設(shè)計小結(jié)28

第一章緒論1.1選題背景及意義液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓龊?，常需對容器中液位進(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個機(jī)組正常運(yùn)行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢?，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位系統(tǒng)通常是時變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實(shí)際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構(gòu)成的多容對象。兩個串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。液位控制設(shè)計依賴的自動控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個發(fā)展階段，現(xiàn)在已進(jìn)入了非線性智能控制理論發(fā)展時期。從控制理論解決的問題而論，很多重大的、根本的問題，如可控性、可觀測性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比較完善的理論體系。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術(shù)及各種其它領(lǐng)域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個領(lǐng)域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。特別是本世紀(jì)80年代以來，電子計算機(jī)的快速更新?lián)Q代和計算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，并進(jìn)入了一段新的歷程?？刂评碚摰难杆侔l(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的控制算法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當(dāng)?shù)难芯?，隨著人們逐漸認(rèn)識到它的一些優(yōu)點(diǎn)，如對攝動的某種完全適應(yīng)性，并可用來設(shè)計日益復(fù)雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。由于液位檢測應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標(biāo)和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時性、安全性。隨著計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1過程控制的特點(diǎn)液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進(jìn)行下去。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性，或者控制起來相當(dāng)困難，因此形成了過程控制的下列特點(diǎn)：1對象存在滯后熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。因此，當(dāng)流入(流出對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。2對象特性的非線性對象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時，動態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。3控制系統(tǒng)較復(fù)雜從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計制造都力求生產(chǎn)過程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。1.2.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對于簡單的線性、時不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對于此類問題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效目前，已經(jīng)開發(fā)出來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復(fù)雜化，對設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過程高效，安全的進(jìn)行，保證并提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)測,及時準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運(yùn)行狀況,已成為目前過程控制領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應(yīng)用非常普遍，從簡單的浮球液位開關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測一直到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物上。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。凡舉蓄水池,污水處理場等都需要液位元的控制.如果能通過一定的系統(tǒng)來自動維持液位的高度那么操作人員便可輕易地在操作時獲知真?zhèn)€設(shè)備的儲水狀況,如此不但工作人員工作的危險性,同時更提升了工作的效率及簡便性.液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器來講，同國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。1.2.3液位控制的前景在構(gòu)建液位控制系統(tǒng)的過程中，我們得知實(shí)際操作的變異性存在其中，因此如何分析、調(diào)整及改良便是我們?nèi)蘸笏氐囊c(diǎn)。而在完成傳統(tǒng)的PID操作控制系統(tǒng)后，未來我們更將利用GeneticAlgorithms找出最好的參數(shù)并建構(gòu)在液位控制系統(tǒng)。且比較加入智能型控制后的系統(tǒng)與傳統(tǒng)PID是否會有性能上的差異。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達(dá)液位儀、光電液位開關(guān)等，這些控制器利用無線電波的折射及反射原理。光線在兩種介質(zhì)的分接口將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象。當(dāng)被測液體處于高位時則被測液體與光電開關(guān)形成一種分界面，當(dāng)被測液體處于低位時，則空氣與光電開關(guān)形成另一種分界面。這兩種分接口使光電開關(guān)內(nèi)部光接受晶體所吸收的反射光強(qiáng)度不同，即對應(yīng)兩種不同的開關(guān)狀態(tài)，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。1.3本文研究內(nèi)容液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。液位控制一般指對某控制對象的液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，很多場合都要對液位進(jìn)行控制，使其高精度、快速度地到達(dá)并保持給定的數(shù)值。如在化工生產(chǎn)過程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性及快速性直接影響到成品的質(zhì)量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對爐窯的使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達(dá)到一定的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的控制要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。本文主要研究內(nèi)容：串級控制的原理；基本PID算法；串級控制的優(yōu)點(diǎn)及適用場合；雙容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)；MatlabSimlink軟件。第二章建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型2.1數(shù)學(xué)建模的基本概念數(shù)學(xué)模型（MathematicalModel）是一種模擬，是用數(shù)學(xué)符號、數(shù)學(xué)式子、程序、圖形等對實(shí)際課題本質(zhì)屬性的抽象而又簡潔的刻劃，它或能解釋某些客觀現(xiàn)象，或能預(yù)測未來的發(fā)展規(guī)律，或能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。數(shù)學(xué)模型一般并非現(xiàn)實(shí)問題的直接翻版，它的建立常常既需要人們對現(xiàn)實(shí)問題深入細(xì)微的觀察和分析，又需要人們靈活巧妙地利用各種數(shù)學(xué)知識。這種應(yīng)用知識從實(shí)際課題中抽象、提煉出數(shù)學(xué)模型的過程就稱為數(shù)學(xué)建模（MathematicalModeling）。不論是用數(shù)學(xué)方法在科技和生產(chǎn)領(lǐng)域解決哪類實(shí)際問題，還是與其它學(xué)科相結(jié)合形成交叉學(xué)科，首要的和關(guān)鍵的一步是建立研究對象的數(shù)學(xué)模型，并加以計算求解。數(shù)學(xué)建模和計算機(jī)技術(shù)在知識經(jīng)濟(jì)時代的作用可謂是如虎添翼。2.2數(shù)學(xué)建模的過程應(yīng)用數(shù)學(xué)去解決各類實(shí)際問題時，建立數(shù)學(xué)模型是十分關(guān)鍵的一步，同時也是十分困難的一步。建立教學(xué)模型的過程，是把錯綜復(fù)雜的實(shí)際問題簡化、抽象為合理的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的過程。要通過調(diào)查、收集數(shù)據(jù)資料，觀察和研究實(shí)際對象的固有特征和內(nèi)在規(guī)律，抓住問題的主要矛盾，建立起反映實(shí)際問題的數(shù)量關(guān)系，然后利用數(shù)學(xué)的理論和方法去分析和解決問題。這就需要深厚扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，敏銳的洞察力和想象力，對實(shí)際問題的濃厚興趣和廣博的知識面。數(shù)學(xué)建模是聯(lián)系數(shù)學(xué)與實(shí)際問題的橋梁，是數(shù)學(xué)在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的媒介，是數(shù)學(xué)科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化的主要途徑，數(shù)學(xué)建模在科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的重要作用越來越受到數(shù)學(xué)界和工程界的普遍重視，它已成為現(xiàn)代科技工作者必備的重要能力。1）模型準(zhǔn)備了解問題的實(shí)際背景，明確其實(shí)際意義，掌握對象的各種信息。用數(shù)學(xué)語言來描述問題。2）模型假設(shè)根據(jù)實(shí)際對象的特征和建模的目的，對問題進(jìn)行必要的簡化，并用精確的語言提出一些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。3）模型建立在假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具來刻劃各變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)（盡量用簡單的數(shù)學(xué)工具）。4）模型求解利用獲取的數(shù)據(jù)資料，對模型的所有參數(shù)做出計算（或近似計算）。5）模型分析對所得的結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析。6）模型檢驗(yàn)將模型分析結(jié)果與實(shí)際情形進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性、合理性和適用性。如果模型與實(shí)際較吻合，則要對計算結(jié)果給出其實(shí)際含義，并進(jìn)行解釋。如果模型與實(shí)際吻合較差,則應(yīng)該修改假設(shè)，再次重復(fù)建模過程。7）模型應(yīng)用應(yīng)用方式因問題的性質(zhì)和建模的目的而異。2.3數(shù)學(xué)建模的建立方法系統(tǒng)建模基本方法有機(jī)理法建模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到。本設(shè)計采用機(jī)理法進(jìn)行建模。機(jī)理法用機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；動量平衡方程；相平衡方程以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動方程；物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。2.4雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立2.4.1單容水箱數(shù)學(xué)模型的建立單容液位過程控制如下：圖2-1此容器的流出閥為手動閥門，流量只與容器1的液位h有關(guān)。水槽的平衡方程為Q-Q=A(1-1此時出口物料流量Q可以寫成Q=(1-2將（1-2）帶入（1-1）可得AR+h=RQ(1-3將（1-3）進(jìn)行拉式變換后，可得傳遞函數(shù)(1-4令A(yù)R=T，R=K，H=Y，Q=X，可得單容液位對象的數(shù)學(xué)模型，即傳遞函數(shù)為(1-5實(shí)際上，水槽底面積越大，對液體的容量也越大，相同流量的改變造成的液位變化也越小。上述流程中由于只有一個水槽，且輸出參數(shù)為液位，所以稱為單容液位對象。2.4.2雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立雙容液位過程如下所示：圖2-2兩容器的流出閥均為手動閥門，流量Q1只與容器1的液位h1有關(guān)，與容器2的液位h2無關(guān)。容器2的液位也不會影響容器1的液位，兩容器無相互影響。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有：Q-Q=AQ-Q=A其對應(yīng)的拉式變化為Q(s-Q(s=Ash(s（2-1）Q(s-Q(s=Ash(s（2-2）令容器1、容器2相應(yīng)的閥門液阻分別為和,其中Q(s=（2-3）Q(s=（2-4）將（2-3）和（2-4）帶入（2-1）和（2-2），可得=（2-5）令T=AR,T=AR,可得（2-6）可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個容器分別獨(dú)立時的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個獨(dú)立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。令Qi=ku，對液位h則控制系統(tǒng)過程傳遞函數(shù)為：（2-7）由上述分析可知，該過程傳遞函數(shù)為二階慣性環(huán)節(jié)，相當(dāng)于兩個具有穩(wěn)定趨勢的一階自平衡系統(tǒng)的串聯(lián)，因此也是一個具有自平衡能力的過程。其中時間常數(shù)的大小決定了系統(tǒng)反應(yīng)的快慢，時間常數(shù)越小，系統(tǒng)對輸入的反應(yīng)越快，反之，若時間常數(shù)較大（即容器面積較大），則反應(yīng)較慢。由于該過程為兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)，過程等效時間常數(shù)，故總體反應(yīng)要較單一的一階環(huán)節(jié)慢的多。2.5確定被控參數(shù)及控制變量在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制變量：水流量Q；被控參數(shù)：下水箱液位；控制器：PID；執(zhí)行器：控制閥；控制對象特性：（上水箱傳遞函數(shù)）（下水箱傳遞函數(shù)）第三章液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實(shí)際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。當(dāng)對象是單水箱時，通過不斷調(diào)整PID參數(shù)，單閉環(huán)控制系統(tǒng)理論上可以達(dá)到比較好的效果。該設(shè)計對象屬于雙水箱系統(tǒng)，整個對象控制通道相對較長，如果采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)上水箱有干擾時，此干擾經(jīng)過控制通路傳遞到下水箱，影響控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)中，如果干擾頻繁出現(xiàn)，將無法得到滿意的效果?？紤]到串級控制可以使某些主要干擾提前被發(fā)現(xiàn)，及早控制，在內(nèi)環(huán)引入負(fù)反饋，檢測上水箱液位，將液位信號送至副控制器，然后直接作用于控制閥，以此得到較好的控制效果。3.1單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計不加串級控制對象的PID控制系統(tǒng)框圖如下：圖3-1單回路系統(tǒng)框圖整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響。3.2控制系統(tǒng)的PID參數(shù)整定(1衰減曲線法。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)10:1的衰減過程為止，記下此時比例帶以及相鄰波峰之間的時間。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。(2穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法。該方法需要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動，從較大的比例帶開始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定PID參數(shù)。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用Astrom和Hagglund提出的繼電反饋法。它既能保證實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進(jìn)行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。對一階慣性加純遲延的對象，時間常數(shù)T較大時，整定費(fèi)時;對干擾多且頻繁的系統(tǒng)，要求振蕩幅值足夠大。(3Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式(Z-N公式法。該方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對象的純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，按Ziegler-Nichols經(jīng)驗(yàn)公式計算PID參數(shù)。此方法簡單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計算和設(shè)置控制器初值。傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定主要是一些手動整定方法，階躍響應(yīng)是其整定PID參數(shù)的主要依據(jù)。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)來整定控制器的參數(shù)，具有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡便的計算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場得到了廣泛應(yīng)用。事實(shí)上，因其簡單實(shí)用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;同時，對于一些系統(tǒng)，由于控制對象的復(fù)雜性、變化性，難以運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行整定。1984年，著名瑞典自動控制學(xué)者Astrom提出了繼電器振蕩PID參數(shù)自動整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測被控過程的極限環(huán)振蕩，對過程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡單計算即可得出動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型的有用信息:臨界振蕩周期Tu和臨界增益Ku。另外由Tu還可得到采樣周期的估計值，再利用Z-N經(jīng)驗(yàn)公式或其它經(jīng)驗(yàn)公式即可計算出PID的參數(shù)。從根本上說，這仍然是根據(jù)過程響應(yīng)來整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿足一定的性能指標(biāo)。(4積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制在一般的PID控制中，當(dāng)存在較大的擾動和大幅度給定值變化時，此時有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會導(dǎo)致超大的超調(diào)和長時間的調(diào)節(jié)時間。特別是對于溫度、成分等變化緩慢的過程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。實(shí)際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時，才施加積分控制。即：a.當(dāng)時，采用PD控制；b.當(dāng)時，采用PID控制。其中，為積分分離值，它可根據(jù)具體對象及系統(tǒng)設(shè)計要求來確定。實(shí)際中的值要選的合適，若值過大，則達(dá)不到積分分離的目的；若值過小，一旦被控量無法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行PD控制，將會出現(xiàn)殘差。積分分離時，取常見的積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。(5數(shù)字變PID控制對于波動范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的PID控制效果往往不能滿足控制的要求。因?yàn)槠胀≒ID的控制系統(tǒng)其P、I、D三個參數(shù)在整定時對當(dāng)時的被調(diào)參量可能是合適的，但是被調(diào)參量時刻都在變化并且有時可能波動范圍很大。此時如果再用以前已整定好的PID參數(shù)來控制此時的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動情況由控制系統(tǒng)自動選擇P、I、D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。其基本思想為：同一PID控制回路提供兩套以上P、I、D參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時波動范圍自動選擇相應(yīng)的PID參數(shù)。I積分時間在PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用，I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強(qiáng)，I的各個分段值應(yīng)根據(jù)對PID控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動范圍確定。同時分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù)PID控制系統(tǒng)的要求而定。3.3串級控制系統(tǒng)設(shè)計3.3.1串級控制系統(tǒng)的設(shè)計思想串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。下面是串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：(1在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的。主調(diào)節(jié)器的翰出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器的輸出去操縱執(zhí)行器動作，實(shí)現(xiàn)對主變最的定值控制。所以在串級控制系統(tǒng)中，主回路是個定值控制系統(tǒng)，而副回路是個隨動控制系統(tǒng)。(2在串級控制系統(tǒng)中，主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的主要工藝變量。控制系統(tǒng)設(shè)計的目的就在于穩(wěn)定這一變量，使它等于工藝規(guī)定的給定值。所以，在串級控制系統(tǒng)中，主變量的選擇原則與簡單控制系統(tǒng)中介紹的被控變童選擇原則是一樣的。關(guān)于副變最的選擇原則后面再詳細(xì)討論。(3在系統(tǒng)特性上，串級控制系統(tǒng)由于副回路的引人，改善了對象的特性，使控制過程加快，具有超前控制的作用，從而有效地克服滯后，提高了控制質(zhì)童。(4由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。對于一個控制系統(tǒng)來說，調(diào)節(jié)器參數(shù)是在一定的負(fù)荷，一定的操作條件下，按一定的質(zhì)量,指標(biāo)整定得到的。因此，一組調(diào)節(jié)器參數(shù)只能適應(yīng)一定的負(fù)荷和操作條件。如果對象具有非線性，那么，隨著負(fù)荷和操作條件的改變，對象特性就會發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)器參數(shù)跟著變化。這樣的問題，在單回路控制系統(tǒng)中是難于解決的.在串級控制系統(tǒng)中，主回路是一個定值系統(tǒng)，副回路卻是一個隨動系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)荷或操作條件發(fā)生變化時，主調(diào)節(jié)器能夠適應(yīng)這一變化，及時改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。由于申級控制系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，所以當(dāng)對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)且頻繁，負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時，采用串級控制系統(tǒng)是適宜的。3.3.2主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動范圍很小，一般要求無靜差。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們選擇下水箱液位為主要被控參數(shù)，液體流量為控制變量。所以，選擇PID調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。為此，副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P調(diào)節(jié)規(guī)律。當(dāng)加入副回路、副控制器，比較單回路控制、串級控制系統(tǒng)性能的變化，串級控制系統(tǒng)框圖如下：圖3-2串級系統(tǒng)框圖3.4串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從整體上來看是定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。但是逐步逼近法費(fèi)時費(fèi)力，在實(shí)際中很少使用。兩步整定法是按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。此法雖然比逐步逼近法簡化了調(diào)試過程，但還是要做兩次10:1衰減曲線法的實(shí)測。對兩步整定法進(jìn)行簡化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不再變動，然后按照一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。為了簡便起見，本設(shè)計采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的正定步驟為：A按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。B改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)最佳。C如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時間常數(shù)Ti，即可得到改善。第四章控制系統(tǒng)的仿真4.1單回路控制系統(tǒng)的仿真不加串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖如下：圖4-1單回路MATLAB仿真框圖先對控制對象進(jìn)行PID參數(shù)整定，這里采用衰減曲線法，衰減比為10：1。A.將積分時間Ti調(diào)為最大值，即MATLAB中I參數(shù)為0，微分時間常數(shù)TD調(diào)為零，比例帶δ為較大值，即MATLAB中K為較小值。B.待系統(tǒng)穩(wěn)定后，做階躍響應(yīng)，系統(tǒng)衰減比為10：1時，階躍響應(yīng)如下圖：參數(shù)：K1=9.8，Ti=無窮大，TD=0圖4-2單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖經(jīng)觀測，此時衰減比近似10：1，周期Ts=14s，K=9.8C．根據(jù)衰減曲線法整定計算公式，得到PID參數(shù)：K1=9.8*5/4=12.25，取12；Ti=1.2Ts=16.8s（注：MATLAB中I=1/Ti=0.06）；TD=0.4Ts=5.6s.使用以上PID整定參數(shù)得到階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=5.6圖4-3單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖觀察以上曲線可以初步看出，經(jīng)參數(shù)整定后，系統(tǒng)的性能有了很大的改善?，F(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。A．保持I、D參數(shù)為定值，改變P參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=7，Ti=16.8，TD=5.6圖4-4單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=2，Ti=16.8，TD=5.6圖4-5單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同P參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著K的減小，最大動態(tài)偏差減小，余差增大，衰減率增大，振蕩頻率減小。B．保持P、D參數(shù)為定值，改變I參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=10，TD=5.6圖4-6單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=12，Ti=1，TD=5.6圖4-7單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同I參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著Ti的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。C．保持P、I參數(shù)為定值，改變D參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=2.6圖4-8單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=0.6圖4-9單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖比較不同D參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，而且隨著D參數(shù)的減小，最大動態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率減小。經(jīng)過多組驗(yàn)證，最后得出，當(dāng)參數(shù)：K1=12，Ti=40，TD=2.6時，系統(tǒng)比較完善，其仿真如下圖圖4-10單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖得出：調(diào)節(jié)時間t=9s，超調(diào)量σ%=4%,靜態(tài)誤差e=7.6可見，穩(wěn)態(tài)誤差沒有達(dá)到要求。4.2串級控制系統(tǒng)的仿真4.2.1無調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)對系統(tǒng)只加了串級，不加調(diào)節(jié)模塊的系統(tǒng)框圖如下圖4-11無調(diào)節(jié)模塊的串級系統(tǒng)框圖對其進(jìn)行仿真，如下：圖4-12串級無矯正MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖加入調(diào)節(jié)模塊的串級控制系統(tǒng)對上面系統(tǒng)加入調(diào)節(jié)模塊后的系統(tǒng)框圖圖4-13串級控制系統(tǒng)的MATLAB仿真框圖系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如下圖所示：參數(shù)：K1=12，Ti=16.8，TD=0.6，K2=12圖4-14串級MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖得出：調(diào)節(jié)時間t=7s，超調(diào)量σ%=3%,靜態(tài)誤差e=0可見，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到要求。4.3單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的比較

經(jīng)過上面單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的最終數(shù)據(jù)的比較，我們可以看出串級控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質(zhì)的一種極為有效的控制方案。由于在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，所以具有以下一些特點(diǎn)：7\#l#O*{'A4z?,

A改善了過程的動態(tài)特性5q*i,Z$m$p0X'u

串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路，減小了該回路中環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，增加了它的帶寬，從而使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制更為及時。

B具有較強(qiáng)的抗擾動能力

在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積愈大，則系統(tǒng)的抗擾動能力愈強(qiáng)，控制質(zhì)量愈好。串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動進(jìn)入副回路，不等它影響到主參數(shù)的變化，通過副回路的及時調(diào)節(jié)，該擾動對主參數(shù)的影響就會大大地削弱或完全消除，從而提高了主參數(shù)的控制質(zhì)量。9[7M$@0e0n,

C具有一定的自適應(yīng)能力,Q.R,O*t.p2r4\(B

串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路則是一個隨動系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器的輸出能按照負(fù)荷和操作條件的變化而變化，從而不斷改變副調(diào)節(jié)器的給定值，使副回路調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷并隨操作條件而變化，即具有一定的自適應(yīng)能力。第五章全文總結(jié)本文介紹了雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過和其他控制算法比較，最終采用串級控制對雙容水箱實(shí)現(xiàn)液位控制，通過學(xué)習(xí)和了解PID算法及串級控制的工作原理，理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)現(xiàn)了以雙容水箱為對象，建立數(shù)學(xué)模型，在matlab軟件環(huán)境下，對控制水箱液位的控制算法進(jìn)行仿真研究。經(jīng)過這段時間的認(rèn)真學(xué)習(xí)，得出以下結(jié)論：1）通過本次設(shè)計，學(xué)會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個部分有了更加直觀的認(rèn)識。2）基本掌握了簡單系統(tǒng)模型的PID參數(shù)整定方法，對PID調(diào)節(jié)器中的P、I、D各個參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識。3通過仿真驗(yàn)證了串級控制對干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學(xué)習(xí)會有所幫助。4）從設(shè)計內(nèi)容來講，或許學(xué)習(xí)的是僅僅過程控制，學(xué)習(xí)的僅僅是MATLAB的操作，但設(shè)計過程中，從設(shè)計思想，到研究方法，再到結(jié)論總結(jié)都培養(yǎng)了自己的學(xué)習(xí)研究能力，這也許更重要。參考文獻(xiàn)[1]王再英,劉懷霞.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京：人民郵電出版社,2003.6[2]胡兵.過程控制[M].上海：機(jī)械工程出版社,2004.8[3]胡壽松.自動控制原理[M].北京:機(jī)械工程出版社,2007.6[4]盧京潮.自動控制原理[M].北京：人民郵電出版社,2021.8[5]劉永信，陳志梅.現(xiàn)代控制理論[M].北京:北京大學(xué)出版社,2006.9[6]薛定宇，陳陽泉.系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.4[7]王正林，王勝開.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真[M].山東:電子工程出版社,2021.7[8]陳陽泉.過程控制與SIMULINK應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.4[9]金以慧.過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993.9[10]陳陽泉.過程控制與SIMULINK應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.6[11]俞金壽，孫自強(qiáng).過程控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021.[12]施仁，劉文江，鄭輯光.自動化儀表與過程控制[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.[13]周慶海，翁維勤.過程控制系統(tǒng)工程設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1992.致謝歷經(jīng)這么長時間，終于能將一些想法以論文的形式呈現(xiàn)出來。在這過程中得到了我的指導(dǎo)老師趙靜老師的悉心指導(dǎo)。在論文選題、論文寫作過程中，趙老師都多次與我討論，時常督促著我抓緊論文的進(jìn)度。碰到問題老師給予我的不是現(xiàn)成的答案而是尋求答案的思路和方法，讓我在完成一篇畢業(yè)論文的過程中得到的不僅是知識上更是思維上的突破。在此我向?qū)煴硎局孕牡母兄x！我要感謝老師給我提供了好的條件，他給了我很多幫助，不僅僅是物質(zhì)上，更多的是精神上的。謝謝你對我的指導(dǎo)和幫助！同樣很感謝和我一起做畢設(shè)的同學(xué)們，我們在一個團(tuán)隊(duì)中，一起提高，一起奮斗著，希望我們的友誼長存。時光匆匆，轉(zhuǎn)眼間在母校度過了我的大學(xué)生涯。感謝母校在學(xué)習(xí)上、生活上給我的幫助，在這里有誨人不倦的老師，是他們引導(dǎo)我在知識的海洋里徜徉；在這里有著積極上進(jìn)、勤奮好學(xué)的同學(xué)，與他們一道，我們演繹出了大學(xué)的精彩和美好。同時，感謝所有任課老師和同學(xué)在這四年來對我的指導(dǎo)和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學(xué)習(xí)、如何做人。使我在各方面取得顯著的進(jìn)步。祝所有的老師培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才！祝所有的同學(xué)在以后的人生道路上大展宏圖！畢業(yè)設(shè)計小結(jié)通過此次畢業(yè)設(shè)計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中了解了許多課外知識，開拓了視野，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質(zhì)的飛躍。畢業(yè)設(shè)計是我作為一名學(xué)生即將完成學(xué)業(yè)的最后一次作業(yè)，他既是對學(xué)校所學(xué)知識的全面總結(jié)和綜合應(yīng)用，又為今后走向社會的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個良好開端，畢業(yè)設(shè)計是我對所學(xué)知識理論的檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計者獨(dú)立分析和解決問題的能力；是我在校期間向?qū)W校所交的最后一份綜和性作業(yè).畢業(yè)的時間一天一天的臨近，畢業(yè)設(shè)計也接近了尾聲。在不斷的努力下我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年來所學(xué)知識的大概總結(jié)，但是真的面對畢業(yè)設(shè)計時發(fā)現(xiàn)自己的想法基本是錯誤的,畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識太理論化了，面對單獨(dú)的課題的是感覺很茫然。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)?？傊?，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身受益。常用介詞的原始概念及部分引申意義1.about表示地點(diǎn)：“在……周圍，在各處，在……附近”Don’tthrowwastepaperabout.Wetooktheforeignfriendaboutthegarden.表示時間、程度：“大約，近于……”Thetreeisabout10meterstall.Thebuswillleaveatabout8:30.表示客體關(guān)系：“對于，關(guān)于，有關(guān)……”Whatdoyoutalkaboutthesubject?Whatisshesohappyabout？2.above表示位置，職業(yè)，數(shù)量，年齡等：“在……上方，在……之上，超過……”Thetemperatureisabove8℃today.ThereisamapofChinaabovetheblackboard.Abirdisflyingabovethewoods.引申義：表示品質(zhì)，行為能力等方面“超過，超出……之外”；“因……太……（難好）而不……”Theproblemisaboveme.Jimisabovealltheotherboysinhisclass.反義詞below用法基本相同。3.at表示時間：“在……（時刻、鐘點(diǎn)、歲數(shù)）等Themeetingwillbeginat9:00tomorrow.表示地點(diǎn)：“在……（指小地方）atthefoodofthehillatNO.248in/onGuangmingRoad表示動作方向：“針對……，朝……，向……”Hethrewastoneatthewindow.Lookatpointat表示狀態(tài)：“在……之中”atworkatmeetingatdeskattable表示原因：Hewassurprisedatmywords.Theyweresadathearingthemews.Hewasgladatwhatherbrotherhadsaid.4.after表示時間和空間：“在……之后”Hegoesonworkingdayafterday.Don’tworkatonceaftermeals.Afteryou!你先請引申意義：“追求……”Whoisheafter?他在追求誰？5agaist：“反對……，違背……”Themanisstandingagainstthewall.WewillhavematchagainstClass3tomorrow.6.before表示時間：“在……之前、以前”thedaybeforeyesterday表示位置：“在……前面、當(dāng)著……的面”Thereisachairbeforethebed.7.along：“沿著/順著……”Walkalongtheroadandyouwillfindthecinema.8among：among:在……之中，between：在……（兩者）之間9.behind：表示地點(diǎn)，位置：在……背后，在……后面Thereisatreebehindmyhouse.表示時間：遲于、晚于、落后于……Hisideasarebehindthetimes.10.beside在……旁邊，在……附近Themanwhoisstandingbesidemyfatherismyuncle.Thereisabeautifulparkbesidethehotel.11.besidesexceptbut用法區(qū)別Besides表示“除……之外還有……”；except和but近義，表示“除……之外沒有……”BesidestheSpringFestival,Mid-autumnDayisalsoanimportanttraditionalfestivalinChina.ThismorningnobodywaslateforschoolexceptTim.(Timwaslateforschool12.by表示地點(diǎn)：在……旁邊，在……身邊Comeandsitbyme!Thereisahousebytheriver.表示方式，手段：“靠，用，通過……”Heusuallygoestoschoolbybus.(bybike,bycar,byair,byship,byboat…表示時間：到……為止（常用于完成時態(tài)中）Bytheendofthisyear,wehaveplantedmorethantwothousandtrees.ThemeetinghadbeenonfortenminutesbythetimeIgotthere.表示動作方向，位置：經(jīng)過，沿著……Igobyhisofficeeverymorning.Theywentonbythehill-road.13.down沿著……向下（副詞：朝下，向下）falldown,getdown,godownthestreet14.during在……期間FatherChristmaswillcomeduringthenightbeforeChristmas15.for表示行為目的，對象：為……，替（代）……，對于……youcanhavearest,Iwilldoitforyou.Weeatforliving,butlivingisnotforeating.IwentshoppingformotherlastSunday.“限定于……，供……用的”JamesHerriotisafamousdoctorforanimals.Herearesomebooksforchildren.Thisisalitterforyou.Thisfoodisforlunch.“就……而言，至于……”That’sallforthisclass.ItistoocoldforSeptemberhere.表示目的，去向：“向，往，去……”ThetrainwillleaveforShanghaiat2o’clock.Let’sgooutforawalk.表示原因：Hewaslateforschoolforthebadweather.表示時間，距離，數(shù)量：“計達(dá)……”Themanhasbeenherforalongtime.WehavestudiesinWunXuMiddleSchoolforthreeyears.16from：表示起點(diǎn)來源：從……，從……起，從……來ThisscientistisfromBeijing.HowfaritfromheretoGuilin?Theletterisfrommybrother.17in：在……里表示地點(diǎn)：場所：“在……里，在……上”Iliveinschool.Thereisabookinhishand.表示狀態(tài)：情況，境遇，服飾等“處于……之中”Sheisinredtoday.(Sheiswearingredclothestoday.Irarqwasinwarthreeyearsago.表示時間：在……期間，在……以后，在……以內(nèi)Iwillbebackintwodays.Youmustfinishtheworkintwodays.Afterthreeyears,hewenttoPariswithhisfamily.“in+段時間”：以當(dāng)前時間為起點(diǎn)多長時間之后（現(xiàn)在將來）“after+段時間”：以過去某時間為起點(diǎn)多長時間之后（過去將來）表示范圍，領(lǐng)域：在……方面，在……之內(nèi)IamweakinEnglishandMath.表示方式：以……，用……SayitinEnglish,please.Io表示動作方向“到……里”Hefellintotheriver.Thechildrenwentintotheclassroomandbegantheirclass.表示變化狀態(tài)：成為，轉(zhuǎn)入，變成……ChangethesentencesintoEnglish,please.課程設(shè)計報告專業(yè)班級自動化0702課程過程系統(tǒng)及工程題目水箱液位控制系統(tǒng)學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師雷俊紅2021年12月

西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級自動化0702學(xué)號08103070指導(dǎo)教師雷俊紅職稱講師教研室自動化課程過程控制系統(tǒng)及工程題目水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)：利用實(shí)驗(yàn)室的多容水箱及其輔助檢測設(shè)備，并采用PLC作為控制器的硬件，設(shè)計一個液位控制系統(tǒng)，使液位能夠保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。設(shè)計要求：1．根據(jù)設(shè)計任務(wù)首先進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計，要求繪制出控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及控制系統(tǒng)框圖；2．確定方案后，設(shè)計控制系統(tǒng)的電氣原理圖；3．根據(jù)設(shè)計的原理圖，進(jìn)行硬件連接；4．編制PLC的控制程序并設(shè)計一套簡單的上位機(jī)監(jiān)控畫面；5．調(diào)試PLC程序直至滿足控制要求為止；6．對控制系統(tǒng)設(shè)計的過程進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)真書寫課程設(shè)計報告并按時上交。開始日期2021年12月05日完成日期2021年12月30日2021年12月10日

摘要雙容水槽是工業(yè)生產(chǎn)過程的常見被控對象,對其液位的控制通常采用模擬儀表、計算機(jī)、PLC等單回路控制,但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展,對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了日益增長的要求，加之，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的工藝過程日趨復(fù)雜,對控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求也越來越高。在這種情況下,傳統(tǒng)的單回路液位控制已經(jīng)難以滿足一些復(fù)雜的控制要求。因此，本文采用了西門子S7-300系列PLC結(jié)合液位傳感器實(shí)現(xiàn)雙容液位串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能有效克服對象的容量滯后,提高控制精度,減小系統(tǒng)超調(diào)。本文闡述了PLC實(shí)現(xiàn)雙容液位串級控制系統(tǒng)的的工作原理,并從系統(tǒng)硬件組成、PLC工作流程、I/O口分配、控制方式以及工控組態(tài)人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計等方面進(jìn)行了詳細(xì)論述，具有較強(qiáng)的實(shí)用性關(guān)鍵詞：西門子S7-300；串級控制；液位；上位機(jī)監(jiān)控

目錄摘要第一章液位串級控制系統(tǒng)概述1.1引言部分1.2系統(tǒng)工作原理第二章液位串級控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)2.1串級控制系統(tǒng)的組成2.1.1硬件介紹2.1.2軟件介紹2.2系統(tǒng)總貌圖2.3系統(tǒng)電氣原理圖2.4系統(tǒng)接線圖第三章控制系統(tǒng)方案設(shè)計3.1系統(tǒng)設(shè)計水箱液位串級控制系統(tǒng)3.2硬件設(shè)計3.2.1檢測單元3.2.2執(zhí)行單元3.2.3控制單元3.3控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求及實(shí)現(xiàn)3.3.1串級控制系統(tǒng)的設(shè)計要求3.3.2控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)3.4控制系統(tǒng)的調(diào)試及控制器PID參數(shù)整定3.4.1控制系統(tǒng)的調(diào)試過程3.4.2控制器PID參數(shù)的整定第四章結(jié)論水箱液位串級控制系統(tǒng)第一章液位串級控制系統(tǒng)概述1.1引言在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中雙容甚至多容的液位控制是一項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展,對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了日益增長的要求。在這種情況下,傳統(tǒng)的單回路液位控制已經(jīng)難以滿足一些復(fù)雜的控制要求，水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后、外界環(huán)境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)工作原理水箱液位串級控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩會路組成，主控回路的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量，副控制回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，中水箱的液位為副控制量，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制水箱液位的目的；在串聯(lián)雙容水箱水位的控制中，進(jìn)水首先進(jìn)人第一個水箱，然后通過第二個水箱流出，與一個水箱相比，由于增加了一個水箱，使得被控量的響應(yīng)在時間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導(dǎo)致該過程的難以控制。串級控制是改善調(diào)節(jié)過程動態(tài)性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統(tǒng)的容積延遲。采用一步整定法，通過WINCC組態(tài)軟件對整定過程及液位的平衡過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，直至達(dá)到主、副回路的最佳整定參數(shù)。第二章液位串級控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)2.1串級控制系統(tǒng)的組成本實(shí)驗(yàn)裝置對象主要是水箱；供水系統(tǒng)有兩路：一路由三相（380V恒壓供水）磁力驅(qū)動泵、電動調(diào)節(jié)閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220V變頻調(diào)速）、渦輪流量計及手動調(diào)節(jié)閥組成；控制器為西門子S7-300PLC；用到的實(shí)驗(yàn)平臺控制屏掛件有：SA-01電源控制屏面板、SA-11交流變頻控制掛件；軟件為西門子S7系列PLC編程軟件，西門子WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件。2.1.1硬件介紹被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。水箱底部均接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級控制系統(tǒng)。儲水箱由不銹鋼板制成，滿足上、中、下水箱的供水需要。檢測裝置壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進(jìn)行檢測，其量程為0～5KP，精度為0.5級。輸出：4～20mADC。流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調(diào)節(jié)閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進(jìn)行檢測。輸出：4～20mADC。執(zhí)行結(jié)構(gòu)電動調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，用來對控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電源為單相220V，控制信號為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號；水泵：本裝置采用兩只磁力驅(qū)動泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動：電磁閥：在本裝置中作為電動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。控制器S7-300PLC控制系統(tǒng)：S7-300是采用模塊化結(jié)構(gòu)的中小型PLC，包括一個CPU315-2DP主機(jī)模塊、一個SM331模擬量輸入模塊和一個SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611專用網(wǎng)卡和一根MPI網(wǎng)線。其中SM331為8路模擬量輸入模塊，SM332為4路模擬量輸出模塊。圖3.3所示為S7-300PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。控制屏SA-01電源控制屏面板：圖2.1為電源控制屏示意圖。合上總電源空氣開關(guān)及鑰匙開關(guān)，此時三只電壓表均指示380V左右，定時器兼報警記錄儀數(shù)顯亮，停止按鈕燈亮。此時打開照明開關(guān)、變頻器開關(guān)及24V開關(guān)電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動按鈕，停止按鈕燈熄，啟動按鈕燈亮，此時合上三相電源、單相Ⅰ、單相Ⅱ、單相Ⅲ空氣開關(guān)即可提供相應(yīng)電源輸出，作為其他設(shè)備的供電電源。SA-11交流變頻控制掛件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R型變頻器，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅(qū)動三相磁力驅(qū)動泵。圖2.1電源控制屏示意圖2.1.2軟件介紹西門子S7系列PLC編程軟件：本裝置中PLC控制方案采用了德國西門子公司的S7-300PLC，而西門子S7-300PLC采用的是Step7編程軟件。利用這個軟件可以對相應(yīng)的PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。西門子WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件：S7-300PLC控制方案采用WinCC軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC是結(jié)合西門子在過程自動化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和Microsoft的強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。作為一個國際先進(jìn)的人機(jī)界面(HMI軟件和SCADA系統(tǒng)，WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；并具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；WinCC還為用戶解決方案提供了開放的界面，使得將WinCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動化項(xiàng)目成為可能。2.2系統(tǒng)總貌圖第三章控制系統(tǒng)方案設(shè)計3.1水箱串級控制系統(tǒng)工藝流程圖圖3.1如圖3.1所示，本實(shí)驗(yàn)為水箱液位串級控制系統(tǒng)，它是由主、副兩個回路組成，每一個回路中都有一個屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對象，即主回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對象為下水箱，作為系統(tǒng)的被控對象，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量；副回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對象為中水箱，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥，從而良好控制水箱液位。本系統(tǒng)控制的目的不僅是系統(tǒng)的輸出響應(yīng)具有良好的動態(tài)性能，且在穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的被控制量等于給定值，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。當(dāng)有擾動出現(xiàn)于副回路時，由于主對象的時間常數(shù)大于副對象的時間常數(shù)，因而當(dāng)被控制量（下水箱的液位）為作出反映時，副回路已經(jīng)快速響應(yīng)，及時地消除了擾動對被控制量的影響。此外，如果擾動作用于主對象，由于副回路的存在，使副對象的時間常數(shù)大大減小，從而加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，改善了動態(tài)性能。水箱液位串級控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計水箱液位控制系統(tǒng)由于控制過程特性呈現(xiàn)大滯后、外界環(huán)境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設(shè)定值，用簡單的單閉環(huán)反饋控制不能實(shí)現(xiàn)很好的控制效果，所以采用串級閉環(huán)反饋系統(tǒng)。水箱液位控制系統(tǒng)圖如圖3.1所示，該系統(tǒng)中，中水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象，下水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象?？刂瓶驁D如圖3.2所示。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是認(rèn)為的因素，有時是機(jī)械的因素，擾動總是不可避免的。主回路和副回路結(jié)合有效地抑制環(huán)境的擾動。圖3.2

在這里，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍然是電動調(diào)節(jié)閥，依舊由PLC經(jīng)過PID算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個PID回路，一個控制下水箱的液位，它的輸出值作為另一個的設(shè)定值，控制上水箱的液位。3.2硬件設(shè)計硬件部分主要有變頻器、電動調(diào)節(jié)閥、流量計、中水箱、下水箱、各種傳感器、以及數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換裝置；系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括檢測單元、執(zhí)行單元和控制單元的設(shè)計，他們互相聯(lián)系，組成一個完整的系統(tǒng)。3.2.1檢測單元在過程控制系統(tǒng)中，檢測環(huán)節(jié)是比較重要的一個環(huán)節(jié)。液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料的平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。設(shè)計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統(tǒng)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)通道中的水流量，控制水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表生產(chǎn)的中控儀表SP0018G壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為0~10KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為4~20mA直流。3.2.2執(zhí)行單元執(zhí)行單元是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié)，它接受來自調(diào)節(jié)單元的輸出信號，并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移，以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來自調(diào)節(jié)器的信號轉(zhuǎn)變成推力或位移，對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移，改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積，以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的，來自調(diào)節(jié)器的信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號制式后，與來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋信號比較，其信號差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確定執(zhí)