1、引言根据课程设计要求，本组成员在 2012 年 5 月 14 日至 20 日期间，在冶金馆四楼的工业流程自动化实验室进行了为期一周的课程设计实验。本次课程设计，我们组选择的基本题目是单容水箱液位控制系统的设计，提高部分为单容水箱的串级控制系统的设计及双容水箱解耦控制系统的设计。经过整整一周的实验后，我们组在完成了本次课程设计的基本题目，即单容水箱液位 控制系统的设计后，继续完成了串级控制系统，并取得了不错的控制效果。本文详细记录了一周内的实验内容、结论。同时，由于设计经验及知识储备的不足，我们在实验中遇到了很多意料之外的问题，最后通过认真分析、查阅资料及咨询老师学长，也都有了相应的解决方案。对
2、此，本文也做了相应的总结。全文一共分为介绍部分的序章及实验部分的四章总结部分一章。其中，序章主要介绍了此次课程设计实验系统，第一章介绍了检测仪表的标定与调试及执行器的特性测试；第二章介绍了二号水箱被控对象模型的建立；第三章主要介绍了单容水箱单回路控制系统的设计；第四章主要介绍了单容水箱串级控制系统的设计。其中，第三章是基本的实验要求内容，第四章的串级控制是提高部分内容。最后，本文总结了本次课程设计的体会与收获。本次课程设计过程，得到了王良勇、潘全科老师及吕阁学长的耐心指导和帮助，在此一并深表感谢！本组所有成员2012 年 5 月 16 日目录一、序章1.1 系统描述本实验使用多功能过程控制科研
3、教学装置，它主要包括上位机监控软件平台和实验系统硬件平台两部分，液位的给定由上位机监控软件给出，通过以太网络传输到硬件平台的实验控制器中，实际液位信号经过液位传感器进行测量反馈，控制器根据给定高度和实际高度的误差产生控制信号，对水泵进行控制。1.2 硬件平台单容水箱液位系统硬件平台即多功能过程控制实验平台，如图所示：多功能过程控制平台具有嵌入式专用控制器，手控盒，四个温度传感器，三个流量传感器，两个液位传感器，一个压力传感器，两个过程水箱，两个水泵，一个比例阀门，一个加热水箱，一个蓄水箱和加热器以及散热器和搅拌器等。多功能过程控制平台可以进行从简单到复杂的多种实验，包括多种温度控制、压力控制、
4、液位控制和流量控制的实验，并且有很强的易用性。它具有以太网接口，可实现实时计算机网络化远程控制。而且，内部的嵌入式专用控制器和 MATLAB 软件具有无缝接口，可以在 Simulink 中搭建算法模型，编译链接形成控制器可读的文件（.dlm）并下载到控制器中实时运行，不需要底层代码的编写，从而大大提高了工作效率。这里对单容水箱液位系统中的执行机构和检测机构的特性予以简单的介绍。（1） 检测机构：Honeywell 的 26PC 型压差传感器 压差型传感器通过一定的设计结构或按规定安装，把压力前后相差的变转换传感器内置压敏原件的变化，再把由压敏元件形变产生的微弱输出信号进行处理调制或通过数模转换
5、和芯片运算处理，输出模拟信号或数字信号。本实验使用 Honeywell 的 26PC 型压差传感器作为液位传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行折算得到相应的液位从而进行反馈。26PC 差压传感器的压力范围是 1psi，量程 14.7mV 18.7mV，灵敏度为 16.7mV/psi，最大过压为 20psi。（2） 执行机构：TOTTON PUMPS 的 DC15/5 型磁耦合离心泵离心泵之所以能把水送出去是由于离心力的作用。在工作前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮中心部分形成真空区域。水
6、在大气压力或水压的作用下，通过水管压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。需要注意的是，离心泵启动前一定要向泵壳内充满水后，方可启动，否则水泵产生“空转” ，产生震动、造成泵体发热，无水流出，对水泵造成损坏。本实验使用 TOTTON PUMPS 的 DC15/5 型水泵，其采用磁耦合设计，能够防止漏液，输入电压为 12V DC，最大体压 1.4bar，最大容积 15L/min，最大水泵扬程为 6m，电机输出功率 25W，工作温度-20度+85 度。1.3 上位机监控软件平台上位机监控软件主要包括两部分：用于编写控制程序的 MATLAB中的 simulink 软件包和用于监控作用的 Easy
7、Control 系列实验软件。（1）Simulink 软件包Simulink 软件包是 Math Works 公司开发的系统仿真软件。Simlink 提供了强大的可视化建模功能，可以拖拉软件包提供的模块的方式，快速的建立系统的模型，病对搭建的系统模型进行仿真。Simulink 可以与 MATLAB 无缝连接，所有仿真数据可以在 MATLAB 工作空间中显示并调用，突出了 MATLAB 分析运算的功能，可使得系统仿真数据的分析更加直观，更加准确。而且，Simlink 中的模块不仅具有仿真能力的模块，还能够进行系统仿真操作，并生成代码进行系统实现的多功能模块。这样就直接解决了传统的系统开发方法带来
8、的系统设计仿真和系统显示互相分离的问题，提高了系统开发的效率，方便了开发人员的操作。（2）EasyControl 实验软件介绍EasyControl 系列实验软件由东大智能公司自主研发的。该软件的特点是可以通过 MATLAB 软件的 Simulink 工具包完成控制器的搭建，并快速实现实时代码的自动产生，使设计和改变参数更加方便、快速，便于反复实验。此外，EasyControl 软件不但可以实时的观察系统运行曲线，并可以对参数进行保存和读取，极大地方便了调试工作，提高了效率。EasyControl 软件具有如下的特点：（1）用于开放式结构的快速控制原型开发、硬件样机在线测试，可以有效地缩短开发
9、周期，保证系统柔性；（2）由于可以采用实时在线测试，应用于难以精确数学模型的系统，可以降低建模和控制器的设计难度；（3）与 MATLAB 系统的无缝集成，便于开发者使用 MATLAB 中的各种先进算法；（4）该软件通过与 TCP/IP 网络的集成性，可应用于网络控制，远程设置控制方案，便于调试和升级。二、传感器及执行器参数整定2.1 压差传感器的参数整定实验中需要整定二号水箱液位传感器的参数。液位传感器采用压差式液位传感器，输入量为压差传感器测定值（单位 mv） ，输出量应为水箱实际液位（单位 cm） 。其输入输出为线性关系： bkxy1通过实验对 ， 进行整定。kb实验时，关闭二号水箱的出水
10、阀门，手动给水箱加水，通过simulink 编程，且输出端加滤波，可以得到不同水位时压差传感器输出的电压值，程序如图 1-1 所示：实验结果如表 1.1 所示：h（cm） 0 1 2 3 4U（mV） 0.325 0.400 0.475 0.555 0.630 h（cm） 5 6 7 8 9U（mV） 0.703 0.776 0.85 0.92 1.0h（cm） 10 11 12 14 16U（mV） 1.075 1.148 1.22 1.36 1.51 h（cm） 18U（mV） 1.65 由最小二乘法拟合，拟合曲线如图 1-2 所示：x=1.65 1.51 1.36 1.22 1.148
11、1.075 1.0 0.92 0.85 0.776 图 1-1 压力传感器参数整定编程表 1.1 压力传感器测试结果0.703 0.630 0.555 0.475 0.400 0.325; y=18 16 14 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0; f=inline(a(1)*x+a(2),a,x); xx,res=lsqcurvefit(f,1,1,x,y)Optimization terminated: first-order optimality less than OPTIONS.TolFun,and no negative/zero curvature dete
12、cted in trust region model.xx =13.5602 -4.4962res =0.0588 y1=13.5602*x-4.4962; plot(x,y);hold on;plot(x,y1) 通过最小二乘法拟合得到：k=13.5602 b=-4.4962故二号水箱压差式液位传感器输入输出关系为：4962.50.13y2.2 水泵占空比到流量的参数整定水泵占空比到电压为比例关系 。电压到流量为一阶惯性环节，由于电机惯性较小，可以近似为比例环节。于是，水泵占空比到流量可近似认为是比例关系。通过实验对水泵占空比到流量的比例系数进行整定。打开二号水箱进水出水阀门，应用 simu
13、link 编程如图 1-4 所示：图 1-4 所示水泵占空比到流量整定程序通过给定不同的占空比时流量传感器测得的流量，可以得到占空比与流量的关系。实验数据如表 1.2 所示。PWM（%） 35 40 42 44 46q1（L/min）0.85 1.45 1.6 1.8 1.95PWM（%） 48 50 52 54 56q1（L/min）2.12 2.3 2.44 2.57 2.75PWM（%） 58 60 62 64 66q1（L/min）2.9 3.08 3.24 3.37 3.5表 1.2 占空比到流量实验数据由最小二乘发拟合，拟合曲线如图 1-5 所示x=0.35 0.40 0.42 0
14、.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66; y=0.85 1.45 1.6 1.8 1.95 2.12 2.3 2.44 2.57 2.75 2.9 3.08 3.24 3.37 3.5; f=inline(a(1)*x+a(2),a,x); xx,res=lsqcurvefit(f,1,1,x,y)Optimization terminated: first-order optimality less than OPTIONS.TolFun,and no negative/zero curvature detecte
15、d in trust region model.xx =8.2625 -1.8853res =0.0405 y1=8.2625*x-1.8853; plot(x,y);hold on;plot(x,y1)通过最小二乘法拟合得到：k= 8.2625 b=-1.8853故水泵占空比到流量输入输出关系为：853.126.xy2.3 流量传感器参数整定实验用流量传感器为 GEMS 流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲信号，计算得到液体流量，传感器单位时间内输出的脉冲值经过转换可以得到液体的流量值。设单位时间内输出的脉冲值为n，n 7.5/575 即是单位时间内液体的流量（L/min） ，由 simu
16、link编程，且在输出处增加滤波器减少纹波，程序如图 1-3 所示：三、被控对象模型建立 被控过程的数学模型（动态特性） ，是指过程在各输入量（包括控制量与扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。建模的基本方法包括：一、机理分析方法建模 。二、试验建模，即建立输入输出模型，根据输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。三、混合建模方法，把过程机理和输入输出数据结合建模的方法。在建模的过程中我们采用了机理建模法与阶跃响应曲线法两种建模方法对被控对象进行建模。3.1 机理建模的建立3.1.1 机理建模方法机理分析方法建模，即根据过程的内部机理（运动规律） ，运用一些
17、已知的定律、原理，如：物料平衡方程，能量平衡方程、传热传质原理等，建立过程的数学模型。3.1.2 被控对象模型建立对单容水箱进行模型的建立，通过分析我们可以得知，要想维持水箱内液位的稳定，就要使水箱的进水量与出水量达到平衡。根据这一原则，我们有：输入：进水量为 q1输出：水箱液位 h某一时刻，单容水箱的入水量与出水量的差值即为水箱内储水量的变化。假设 q1为入水流量 q2为出水流量，A 为水箱横截面积，h 为液位，根据物料平衡原理，(1) 由流体力学可知，流体在紊乱情况下，液位与流量之间的非线性关系如下，其中 k 为泄水阀流量系数：(2) 将式（2）带入（1）得到被控对象模型： (3)由式(3
18、)可知系统具有非线性，令 则在平衡点( )处进行泰勒级数展开，并忽略高阶项得到：其中由此，取 ， ，液位稳定时 ，因此 其)(11qkuhy0q21yR2中 由此得：p1进行拉普拉斯变换，整理得到：通过分析，我们可以知道水箱的模型可以简化为一阶惯性环节，这样我们就可以将非线性的系统近似线性化，并通过实验得到系统的参数定义液阻 R，表示产生单位流量变化所必须的液位差的变化量，即由式（2）可以得到： qkdhh22因此：平衡点处液位稳定，输入流量等于输出流量，即 ，根据实验测定， ，h=8cm，带入式 得min/2.1Lq qkdhh22R=0.436/(cm2*s)。根据实验辨识相关系数 k1
19、=8.2625水箱截面积的计算：测得水箱的直径为 cm7A= ，代入得到单容水箱传递函数为 1s08.673)(sw这就是被控对象的机理模型。3.2 实验模型的建立3.2.1 阶跃响应辨识模型参数经典的参数辨识的方法包括阶跃响应法、脉冲响应法、频率响应法等。单容水箱的液位控制器设计模型可以近似为一阶惯性环节，对于一阶惯性环节，其传递函数为 ，其中 K 为开环增益，T 为过程时间常数，建立控制器设计模型需要对这两个参数进行辨识。阶跃响应辨识方法根据观察阶跃响应曲线得到系统参数 K 与T。3.2.2 被控对象模型组成分析被控对象模型是从水泵 PWM 占空比到液位的过程，包括三部分：PWM 到电机给
20、定电压 U，U 到入水流量 及 到液位 h 三个过程。水泵 PWM 占空比到入水流量 q1的模型 此环节近似为一阶惯性环节，传递函数为： 1)(00sTkW辨识时用到的 simulink 程序如图 2-1子模块：图 2-1实验时，首先给一个 40%的占空比，此时流量稳定在 1.54L/min,给占空比一个阶跃变化，占空比变为 50%，此时流量稳定在 2.5L/min.阶跃曲线如图：图 2-2记录到达稳态值的 0.632 倍的时间值值作为时间常数 0T放大系数： 096.154.2)0(0 xyK时间常数： 1T此环节的传递函数： 1096.)(0sSW入水流量 q1到液位 h 的模型 入水流量
21、到液位的过程在平衡点处近似为一阶惯性环节,其传递函数为： 1)(1sTkW辨识时用到的 simulink 程序如图 2-3实验时，首先给一个 2.1L/min 的流量，此时液位稳定在 ,cm6给流量一个阶跃变化，占空比变为 2.5L/min，此时液位稳定在 16cm.阶跃曲线如图：记录到达稳态值的 0.632 倍的时间值值作为时间常数 1T放大系数： 251.6)0(1 xyK时间常数： 25T此环节的传递函数： 1250)(0sSW四、单回路液位控制系统的设计实现4.1 控制目标设计的单回路液位控制控制系统，应达到以下控制目标：（1） 具有良好的静态特性：稳定时液位保持在 8cm 处，且无稳
22、态误差（2） 具有良好的动态特性：超调量要小，调节时间短。（3） 具有良好的跟随特性。（4） 具有良好的抗干扰性能:能够通过调节消除扰动对系统的影响4.2 单回路控制系统的设计控制系统采用 PID 控制器，为了保持液位稳定，引入液位闭环负反馈。其结构图如图 3-1 所示：4.3 控制器设计4.3.1 控制器参数整定方法采用 PI 控制器进行液位控制。PI 控制器的传递函数为sskGIp)(利用直接综合法设计 PI 控制器。直接综合法就是利用期望的闭环传递函数来设计 PID 控制器的一种方法。单容水箱液位控制系统的闭环结构框图如图 3-3 所示：图 3-1 单回路系统结构图系统闭环传递函数为：
23、)(1)(00ssryGwc其中 W0(s)为实际被控对象的传递函数，期望的闭环传递函数为，整理得： sGsWsGdoc14.3.2 PID 参数整定水泵 PWM 占空比到流量 的模型传递函数为 :1q1096.1sW图 3-3 单容水箱液位控制系统闭环结构图入水流量到液位的传递函数为：12502ssW由于 时间常数远小于 时间常数，故水泵 PWM 占空比到流量 可近似为比例环节，由此得到单回路单容水箱被控对象的控1q制器设计模型为： 12504.1250096. sssW为了得到较快且稳定的液位动态响应，选定期望的系统闭环传递函数为: 15sGd理论上闭环系统传递函数闭环极点 在负实轴，因此
24、闭环系统2.0s稳定。再利用前面阶跃辨识近似后得到的数学模型 ，用直接综)(sw合法求得： ssGc 083.83.20于是得到： ;083.,83.20kkIp4.4 单回路控制系统实验4.4.1 单回路控制系统仿真实验根据两个辨识实验得出的被控对象模型及整定的 PID 参数，搭建仿真程序如图 3-4，其参数设置与机理模型参数一致。从仿真结果可以看出：（1） 单回路系统没有超调量（2） 调节时间在 230s 左右稳定，且无稳态误差4.4.2 单回路控制系统实物实验搭建 simulink 程序如图 3-6 所示：图 3-6 单回路控制系统程序在实际进行实验时，对 PID 参数进行试凑调整，以得到最佳控制效果。试凑整定后得到：=21， =0.08kpI实际控制结果如图 3-7 所示：图 3-7 单回路控制结果从单回路控制系统实验结果可以得出结论如下：（） 单回路控制系统几乎没有超调，仿真结果一致。（） 调节时间较短，为 20s 左右。（） 无稳态误差。4.4.3 单回路控制系统跟随实验对上述控制系统，待液位稳定后，目标值由 8cm 改为 10cm，实验控制效果如图 3-8 所示：
