1、1铜陵学院毕 业 论 文 （ 初 稿 ）论文题目：基于 MATLAB 液位控制系统研究与设计2毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，
2、即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 3选题背景人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保
3、证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位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，能收到很好的生产效果。水箱液位控制系统的设计应用非常长广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现，所以就选择了该题目的设计。由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有
4、效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。毕业论文进度安排：2012 年 9 月 20 日 选论文题目基于 MTLAB 液位控制系统研究与设计2012 年 12 月 25日写出毕业论文的提纲2013 年 3 月 5 日 完成论文的初稿2013 年 5 月 5 日 完成毕业论文4指导教师意见：指导教师签名： 年 月 日毕业论文（设计）写作提纲一、论文题目基于 MTLAB 液位控制系统研究与设计二、论题观点来源：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
5、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。三、基本观点：液位串级控制系统的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。 四、论文结构： 一概述1.1 液位串级控制系统介绍 1.2 MATLAB 软件介绍二被控对象建模2.1 水箱模型分析2.2 阶跃响应曲线法建立模型三系统控制方案设计与仿真3.1
6、 PID 控制原理3.2 系统控制方案设计3.3 控制系统仿真 四结论五参考文献5毕业论文（设计）工作中期检查表系别： 班级： 学生姓名 学号 指导教师 职称论文（设计）题目 基于 MTLAB 液位控制系统研究与设计选题是否有变化 否 如有，请填写原因是否一人一题 否 是否进行了选题背景、及写作提纲 是 是否进行了文献调研 是本论文拟解决的关键问题选择参数这个是个让我头疼的问题。因为之前学的自控原理似乎完全是在学数学而已。对参数的理解这是它如何满足我们“稳、快、准”这个三个要求而已，而完全不了解它的实际工程中的意义。所以在仿真的时候我也是用试的方法来确定参数。教师填写部分论文（设计）进度情况：
7、提前完成 正常进行 延期滞后（请写出原因）工作态度情况（学生对毕业论文（设计）的认真程度、完成指导教师布置任务情况）：认真 较认真 一般 不认真中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）：好 中 差存在的问题与建议：指导教师（签名）：年 月 日6系毕业论文（设计）工作领导小组意见（如被查学生为差的，请系毕业论文设计领导小组写出处理意见）：领导小组组长（签名）：年 月 日基于 MTLAB 液位控制系统研究与设计摘 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
8、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 计算机过程控制系统 一概述1.1 液 位 串 级 控 制 系 统 介 绍7液位串级控制系统图 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
9、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。 在设计控制系统的过程中，
10、将利用到 MATLAB 软件，以下将对它们的主要内容进行说明。1.2 MATLAB 软 件 介 绍MATLAB 软件是由美国 MathWorks 公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛8的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。MATLAB 最早发行于 1984 年，经过 10 余年的不断改进，现今已推出基于 Windows 2000/xp 的 MATLAB 7.0 版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运
11、算、信号处理和图形生成等功能。在 MATLAB 环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MATLAB 系统由五个主要部分组成：(1)MATALB 语言体系 MATLAB 是高层次的矩阵数组语言具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。 (2)MATLAB 工作环境 这是
12、对 MATLAB 提供给用户使用的管理功能的总称包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理 M 文件的各种工具。(3)图形图像系统 这是 MATLAB 图形系统的基础，包括完成 2D 和 3D 数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB 命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令，以及开发 GUI 应用程序的各种工具。 (4)MATLAB 数学函数库 这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB 应用程序接口(API) 这是 MAT
13、LAB 为用户提供的一个函数库，使得用户能够在 MATLAB 环境中使用 c 程序或 FORTRAN 程序，包括从 MATLAB 中调用于程序(动态链接)，读写 MAT 文件的功能。 MATLAB 还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。MATLAB 具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB 的控制系统工具箱(Control System Toolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB 的系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。M
14、ATLAB 的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。二被控对象建模9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。上水箱和下水箱是系统的被控对象
15、，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Q1Q1 12Q2Ah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。液位 h 越高，水箱
16、内的静压力增大,Q 2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) ；Q 1-Q 2=A(dh/dt) 在静态时，Q 1=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，Q 2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为了简便起见，做线性化处理得 Q 2=h/R 2，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+
17、1)=K/(Ts+1)注：Q 1 Q 2h:分别为偏离某一个平衡状态 Q10Q 20h 0的增量。R 2: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102.2 阶 跃 响 应 曲 线 法 建 立 模 型在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。 在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：(1
18、) 通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。(2) 通过在 MCGS 监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。控制进水量供水施加阶跃输入信号阶跃响应输出电 动 磁 力 泵 电动调节阀 上水箱/下水箱图 2.2 水箱模型测定原理图 1上水箱阶跃响应参数测定：按图连接实验线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度 OP1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。改变调节阀开度至 OP2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。 图 2.3 上水箱阶跃响应曲线记录阶跃响应参数(间隔 30s 采集数据):1 23.62 7 44.77 13 47.76 19 47.642 30.50 8 45.56 14 47.87 20 47.093 35.25 9 46.17 15 47.89 21 46.524 38.69 10 47.06 16 47.28 22 46.41
