1、 摘 要近年来，在工业控制中，随着工业技术的不断改进和发展，锅炉液位的过程控制系统得到了广泛的应用，为了确保锅炉的控制系统的正常运行，控制系统中要求锅炉的液位往往需要维持在某一个设定值上或者只允许在某一个小范围内进行变化。在工业生产中，为保证工业生产的安全进行，控制过程中需要确保锅炉中的液体不会产生溢出，人们对锅炉的控制系统的各项参数的要求愈来愈高。而在实际的工业生产中，被控对象常常具有时延、非 线性等特点，采用一般的控制方法将很难得到很好的控制效果。所以，对时延、非线性对象的先进控制方法进行研究，优化工业生产系统的控制水平，具有很重要的意义。锅炉液位的控制大多应用 PID 控制方法。PID
2、参数整定通常是在得到控制对象的数学模型后，根据相关的整定规则，进行在线调节。本毕业设计中所提到的双容水箱液位控制系统是在国内外相关实验装置的基础上，通过考虑其性能指标，自行设计的模拟多种对象特性的实验设备。双容水箱的结构虽然简单但在高水平、复杂的控制系统中，此类系统仍是大多数，是最基本的过程空竹系统。复杂过程控制系统往往是建立在简单控制系统的基础上。本设计应用所学的过程控制知识，采用 MATLAB 对锅炉水位控制系统进行仿真。关键词：锅炉液位,MATLAB,PID 控制,双容水箱AbstractIn recent years, in industrial control, with the c
3、onstant improvement and development of industrial technology, the process of the boiler liquid level control system has been widely used, in order to ensure the normal running of the boiler control system, control system of boiler liquid level, often need to maintain on a certain value or is only al
4、lowed to change in a small scope.In industrial production, to ensure the safety of industrial production, the need to ensure that the boiler in the process of control the liquid does not produce overflow, the various parameters of the control system of boiler is higher and higher requirements.In the
5、 actual industrial production, the controlled often has the characteristics of time delay, nonlinear, using the general control method will be difficult to get good control effect.So for advanced control methods of time delay, nonlinear object for research, optimizing the control level of industrial
6、 production system, has the very vital significance.Most of the boiler liquid level control using PID control method.PID parameters setting is usually after the mathematical model of controlled object, according to the related setting rules, which can adjust the online.As referred to in this graduat
7、ion design is double let water tank liquid level control system at home and abroad, on the basis of related experimental apparatus, by considering the performance index, design simulation of a variety of experimental equipment of object properties.Double let water tank structure is simple but in hig
8、h level, the control of complex systems, such a system is still the most, is the basic process of diabolo system.Complex process control system is often established on the basis of simple control system.Knowledge of process control, we have learned this design application of the boiler water level c
9、ontrol system by MATLAB simulation.KEY WORDS: boiler liquid level, MATLAB, PID control, double let water tank第 1 章 绪 论1.1 设计背景工业生产生活中,锅炉是通用的热力设备，同时也是能源，电厂，化工等重工业生产运行中最为重要的动力设备。在当今的石化企业里，锅炉不仅为反应器，汽轮机，烟机等设备提供动力，而且还可以给风机驱动，电动机提供动力，在很大的程度上提高了物料和能量在生产工程中的利用率。而锅炉参数和容量的不断提高和扩大使得系统对给水控制要求更为严苛，其容量和负荷变化对液位高低的
10、影响更加显著。随着锅炉运行下内部压力的增加，其给水设备中的调节阀和管道系统将变得复杂使得控制系统中调节阀的流量特性难以满足要求。所以，在锅炉的内部控制系统中，采用自动控制的方法对给水系统进行控制是必不可少的，它在减少外界对系统干扰的同时还能保证锅炉的安全运行并极大的减轻工作强度。本论文中提到的双容水箱液位控制系统是一种参照国内外实验设备自行设计的模拟多容对象特性的实验设备。在设计中，根据锅炉假液位的控制效果，设计将采用主、副两调节器进行调节。设计的建模方式将采用机理法、测试法、阶跃响应等方法对有影响的双容过程和无影响的双容过程进行建模。整个设计过程中将采用串级控制系统对参数进行整定。在现代工业
11、中双容水箱有很强的工业背景和代表性，双容水箱可以抽象成很多被控对象的局部或整体的数学模型，对其数学模型的建立具有很强的指导意义。所以，学习并掌握双容水箱控制系统的分析和设计的方法对工业生产过程中的液位控制系统有很强的研究意义。1.2 过程控制介绍过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制 4。过程控制在提高经济效益、改善劳动条件、实现工业生产中各种最优经济指标、节约能源等各方面起着愈来愈大的实际作用，该控制是自动化技术领域中重要的组成部分。从控制的角度，通常将工业生产过程分为三类，即连续性、离散型和混合
12、型 4。针对连续性生产通常采用过程控制。该生产过程特征一般表现为：在生产过程中，呈现流动情况下的各类材料，在传质、传热或者化学、物理等变化之后，绝大部分将发生分子结构或相变的转变，新的产品由此产生。在整个变化过程相关的工艺参数是非常重要的，生产过程中内部因素和外部因素共同影响该工艺参数。1.3 MATLAB 软件简介MATLAB 是应用在算法上的数学软件，该软件由 MatWorks 公司研发。现今，MATLAB 广泛应用在自动控制、过程控制、重工业等领域，它是一种较为高级的计算机语言，能够进行各种较复杂的运算和操作。是当今国内外各高校及研发部门重点研究的应用软件之一。MATLAB 由 MATL
13、AB 语言、MATLAB 开发环境、MATLAB 图形的处理、MATLAB 数学函数库、MATLAB API 五大部分组成，基于矩阵/数组，它是以矩阵和数据为单位的语言。该软件可以采用三维和二维对图形处理；通过处理之后图像将会更加的形象。除此之外，MATLAB 函数库功能较为强大，函数库中有非常多的数学函数，运算函数，能够计算不同难易程度的各种运算；是一种综合度较高、运算速度较快、较为实用的软件。第 2 章 串级控制系统概述及设计2.1 基本概念近年来，随着工业技术的不断发展及强大，在工业生产中的以往简单的工业生产控制方法已经无法满足复杂的生产设备需要，为了满足生产设备复杂的控制要求，串级控制
14、系统的方法被得以研发出来。该串级控制系统是将主副调节器串联起来，主调节器的输出信号作为副调节器的输入信号。串级控制系统可以分为双闭环和多闭环控制系统两类。在串级控制系统中，串级控制系统由主控制回路和副控制回路组成，主控制回路由主变量调节器、调节阀、副调节器、主过程、检测变送和副过程构成。副控制回路由副调节器、副变量检测变送、副过程和调节阀构成。主控制回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程组成。副控制回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程组成。在整个控制回路中系统通常会受到一次扰动和二次扰动的干扰，一次扰动是指作用在主被控过程上的干扰，二次扰动是指作用在副被控过
15、程上的干扰。2.2 串级控制系统系统框图图 2.2.1 串级控制系统框图向串级控制系统给输入的信号，这时输入的信号和主变送器反馈信号得到一个差值 e1，e 1进入系统中的主控调节器，在主控调节器中进行 PID 计算。计算完后，这时输出的信号和副变送器的反馈信号差值被同时送入执行器。在外界加入的一次扰动和二次扰动的作用下控制整个控制回路中的变量波动情况，从而达到设计的目的。2.2.1 主回路设计在 串 级 控 制 系 统 中 ， 主 回 路 属 于 定 值 控 制 系 统 ， 该 回 路 的 设 计 可 以 根据 简 单 控 制 系 统 设 计 的 原 理 进 行 设 计 ， 并 且 该 设 计
16、 与 单 回 路 控 制 系 统 的 设计 方 法 类 似 。 在 设 计 中 ， 对 系 统 选 取 的 主 要 控 制 变 量 应 为 能 实 现 设 计 目 的 的参 数 。2.2.2 副回路设计在 串 级 控 制 系 统 中 ， 副 回 路 起 着 非 常 重 要 的 作 用 ， 副 回 路 将 会 为 整 个 系统 优 势 得 以 提 升 。 该 回 路 拥 有 随 动 系 统 的 特 性 ， 对 回 路 中 包 含 的 二 次 扰 动 拥有 很 强 的 自 适 应 力 抑 制 力 ， 主 被 控 对 象 由 于 二 次 扰 动 作 用 在 主 、 副 回 路 上因 而 受 到 的
17、影 响 很 小 ， 所 以 在 设 计 副 回 路 控 制 系 统 时 应 该 将 被 控 过 程 中 变 化幅 度 大 、 剧 烈 、 频 繁 等 较 多 的 扰 动 包 含 在 其 中 。 同 时 ， 副 回 路 的 参 数 在 设 置合 理 的 情 况 下 还 需 使 其 时 间 常 数 与 主 回 路 的 时 间 常 数 相 匹 配 便 以 达 到 共 同 的控 制 要 求 。2.2.3 主、副控制回路调节器选择及匹配情况在控制系统中，系统应该将较多的干扰包含在副控制回路中，同时注意主副控制回路中干扰因数数量的匹配问题。绝不能将所有的扰动都包含在副控制回路中，否则，主控制回路中调节器将
18、会失去其调节作用。在设计中往往将主副控制回路中的扰动的数量和时间常数的比值设定在310之间。由于主控制回路中调节器起着定值作用，而系统中工艺参数的主要指标为主被控参数。一般情况下，主控制回路需要没有静差，控制回路中的主要调节器的控制规律可选用比例积分调节（即 PI 控制规律）和比例积分微分调节（即PID 控制规律）中的其中一种。在副控制回路中，由于该回路的副调节器是随动控制，从而使该副回路控制回路在整个控制系统中起着随动控制的作用，随动控制的作用可以克服各种干扰对主控参数的影响，同时能够提高控制的快速性，因此在副控制回路的调节作用中，系统允许其有静差。在控制规律的选择上，由于积分调节（I 控制
19、规律）会延长系统的控制过程时间导致副控制回路的快速性受到抑制。此外，如果选择微分调节（D 控制规律） ，微分调节将会使系统中的调节阀的动作过大从而使控制达不到系统想要的效果。因此在大多数情况下副控制回路将会采用比例调节（P 控制规律）而不用积分调节（I 控制规律）或是微分调节（D 控制规律） 。在控制器正反作用的选择上，由于负反馈是保证过程控制系统正常工作的基础，因此，在拥有两个回路的串级控制系统中，保证两个控制回路均为负反馈的重要条件是主、副控制回路中调节器的作用方式的确定原则。在确定作用方式的过行程中，主控制回路中的调节器的作用方式的确定需在副控制回路作用方式确定之后。2.3 串级控制系统
20、的 MATLAB 的仿真与计算2.3.1 系统的计算与仿真在系统的计算与仿真中，计算与仿真以计算机为主要的操作工具，仿真以控制系统的模型为基础，运用教学模型对系统的控制进行研究的一种方法。其仿真步骤如下：（1）设计锅炉液位的总体控制方案（2）设计一个较完整的多容对象液位控制系统（3）建立系统的数学模型，求出传递函数数学模型是系统的输入变量及输出变量及内部变量之间的数学表达方式。状态空间表达式、微分方程、结构图、传递函数都是比较常见的数学模型。建立数学模型的方法有：试验法、解析法。（4）进行 PID 参数设置2.3.2 MATLAB 计算与仿真MATLAB 是以矩阵和数据为单位，固有矩阵实验室的
21、含意。其特点为以下几种:（ 1） 数 据 处 理 能 力 强 ， 功 能 多 样 化在 很 多 工 业 技 术 、 工 程 领 域 及 科 学 研 究 中 ， MATLAB 除 了 具 有 强 大 的 数值 运 算 功 能 ， 在 专 业 技 术 水 平 这 一 块 MATLAB 提 供 的 符 号 计 算 可 以 攻 克 很 多工 业 生 产 上 的 技 术 问 题 。 除 此 之 外 ， MATLAB 能 够 提 供 的 丰 富 的 库 函 数 ， 包含 基 本 库 函 数 、 专 用 库 函 数 。 这 些 函 数 将 能 够 满 足 各 种 用 户 所 需 要 实 现 的 数据 处 理
22、 及 科 学 计 算 功 能 ， 将 会 节 省 用 户 编 程 的 大 量 时 间 ， 此 外 ， 还 可 以 将 大量 琐 碎 的 基 础 工 作 交 给 MATLAB 的 内 部 函 数 去 处 理 。（ 2） 图 形 界 面 简 单 实 用在 MATLAB 中 ， 其 软 件 工 具 通 常 采 用 用 户 界 面 。 该 界 面 操 作 简 易 ， 界 面使 用 方 便 ， 与 Windows 的 界 面 相 似 。 该 软 件 新 版 本 中 所 提 供 的 帮 助 系 统 和 联机 查 询 大 大 增 加 了 用 户 对 该 软 件 的 使 用 效 率 。 MATLAB 中 的
23、开 发 语 言 为 C 语言 ， 除 此 之 外 ， MATLAB 的 编 程 语 言 即 适 合 非 计 算 机 专 业 人 员 的 使 用 ， 又 符合 计 算 机 专 业 人 员 使 用 。 由 于 该 编 程 语 言 具 有 拓 展 性 强 和 可 移 植 的 特 点 ， 在工 程 计 算 和 科 研 等 各 个 研 究 领 域 该 编 程 语 言 已 经 得 到 了 广 泛 应 用 。（ 3） 处 理 图 形 功 能 强 大MATLAB 中 除 了 具 有 绘 制 图 形 函 数 之 外 ， 还 具 有 强 大 的 数 据 可 视 化 功 能 ，可 绘 制 二 维 图 、 三 维 图
24、 、 多 维 图 等 各 种 复 杂 的 图 形 同 时 能 够 创 建 隐 函 数 绘 图和 三 维 立 体 动 画 效 果 以 及 用 于 工 程 绘 图 和 科 学 计 算 。（ 4） Simulink 功 能 介 绍在 MATLAB 中 Simulink 是 一 款 比 较 实 用 的 可 视 化 仿 真 工 具 ， 因 此Simulink 被 广 泛 应 用 在 数 字 信 号 处 理 、 线 性 系 统 、 非 线 性 系 统 上 实 现 其 系 统的 仿 真 及 建 模 。 Simulink 支 持 系 统 中 不 同 部 分 存 在 不 一 样 的 采 样 率 （ 即 多速 率
25、 系 统 ） 。 同 时 ， Simulink 能 够 采 用 离 散 采 样 和 连 续 采 样 时 间 或 离 散 采样 时 间 和 连 续 采 样 时 间 进 行 建 模 。 Simulink 中 提 供 的 图 形 用 户 接 口 可 以 建立 模 型 方 块 图 ， 并 能 够 用 快 捷 及 简 单 的 方 式 来 创 建 系 统 的 动 态 模 型 ， 使 用 户能 够 很 快 看 到 系 统 的 仿 真 结 果 。（ 5） Simulink 的 特 征a.拥 有 综 合 分 析 、 动 态 系 统 建 模 、 仿 真 的 集 成 环 境 。b.具 有 结 构 与 流 程 清 晰
26、 、 适 应 面 广 阔 ， 贴 近 实 际 、 灵 活 、 仿 真 精 细 、高 效 率 的 优 点 。c.可 以 利 用 创 建 、 搜 索 模 型 、 Model Explorer 导 航 中 的 任 何 一 个 参数 、 属 性 、 参 数 来 生 成 模 型 的 代 码 。d.Simulink 中 交 互 式 的 图 形 编 辑 器 可 以 管 理 和 组 合 直 观 的 模 型 方 块 图 。e.面 对 复 杂 设 计 的 管 理 可 以 通 过 设 计 功 能 中 的 层 次 性 来 分 割 模 型 的 方法 实 现 。第 3 章 PID 控制器介绍3.1 PID 控制器基本概念
27、PID 为比例、积分，微分控制的简称，也称为比例-积分-微分控制器。当今 工 业 自 动 化 生 产 中 大 多 数 的 自 动 化 控 制 技 术 采 用 的 是 反 馈 控 制 。 测 量 、 比较 、 执 行 为 反 馈 控 制 的 三 大 要 素 。 PID 通 过 测 量 指 定 的 变 量 来 与 预 期 值 相 比较 得 到 一 个 偏 差 值 ， 用 此 偏 差 值 来 对 控 制 系 统 的 响 应 进 行 调 节 和 矫 正 。目 前 ， PID 控 制 技 术 已 被 广 泛 应 用 于 工 业 生 产 中 ， 其 控 制 方 式 仍 为 计 算机 控 制 技 术 的 基
28、 本 控 制 方 式 ， 在 工 业 生 产 的 控 制 回 路 中 有 超 过 95%的 回 路采 用 的 是 PID 算 法 。 是 控 制 回 路 中 不 可 缺 少 的 一 部 分 。3.2 PID 控制器系统结构图 3.2.1 PID 控制系统框图从 上 图 中 可 以 看 出 ， PID 是 一 种 线 性 控 制 器 ， 由 比 例 （ P） 、 积 分（ I） 、 微 分 （ D） 三 个 单 元 组 成 。 其 控 制 规 律 函 数 表 达 式 如 下 ：（3-1）)()(sKsGDIPc表 达 式 中 ， KP 为 比 例 常 数 ， KI为 积 分 常 数 ， KD为
29、微 分 常 数 。3.2.1 比例（P）调节比 例 调 节 器 通 常 被 称 为 偏 差 控 制 ， 分 别 是 一 种 单 独 的 比 例 控 制 和 控 制 系统 中 最 简 单 的 调 节 器 ； 其 输 入 和 输 出 的 信 号 成 比 例 关 系 。 因 此 ， 比 例 调 节 器相 对 于 其 他 的 调 节 器 简 单 易 懂 、 容 易 操 作 并 且 在 参 数 整 定 方 面 比 较 方 便 ， 但系 统 输 出 稳 态 误 差 却 成 为 了 该 控 制 致 命 的 缺 点 。 3.2.2 积分（I）调节积 分 调 节 器 由 于 能 够 对 控 制 系 统 中 的
30、被 控 参 数 和 设 定 值 的 偏 差 形 成 记 忆 ，因 此 该 调 解 器 能 够 使 系 统 的 无 差 度 得 以 提 高 并 能 消 除 比 例 调 节 器 中 系 统 输 出的 稳 态 误 差 。在 系 统 的 积 分 作 用 中 ， 积 分 的 时 间 常 数 和 作 用 强 度 成 反 比 ， 其 作 用 强 度由 其 积 分 时 间 常 数 决 定 ,积 积 分 时 间 常 数 越 大 将 会 导 致 系 统 的 稳 态 误 差 很 难消 除 ， 系 统 的 调 节 精 度 也 会 受 到 影 响 。 积 分 时 间 常 数 越 小 将 会 使 积 分 作 用 变强 ，
31、 其 消 除 稳 态 误 差 就 越 快 。 但 并 不 是 积 分 时 间 常 数 越 小 越 好 ， 因 为 积 分 时间 常 数 过 小 将 会 导 致 响 应 过 程 初 期 产 生 积 分 饱 和 并 引 发 较 大 的 超 调 量 。除 此 之 外 ， 因 为 比 例 控 制 比 积 分 控 制 的 稳 定 作 用 要 强 ， 所 以 积 分 控 制 无法 实 现 控 制 系 统 的 稳 定 ， 面 对 这 种 情 况 ， 我 们 可 以 将 积 分 控 制 和 比 例 控 制 结合 起 来 ， 即 比 例 积 分 调 节 器 。3.2.3 微分（D）调节在 微 分 调 节 中 ，
32、 微 分 控 制 能 够 提 前 预 见 系 统 中 偏 差 的 变 化 ， 产 生 这 一 现象 的 原 因 是 系 统 出 现 偏 差 变 化 的 趋 势 能 够 由 微 分 环 节 表 现 出 来 ， 使 系 统 及 时在 偏 差 信 号 变 得 太 大 前 引 入 早 期 矫 正 信 号 ， 促 使 系 统 的 调 节 时 间 变 小 、 动 作速 度 加 快 。但 对 于 系 统 的 静 态 偏 差 来 说 ， 单 一 的 微 分 调 节 对 其 没 有 抑 制 作 用 ， 因 此 ，为 了 使 系 统 的 控 制 效 果 得 以 提 高 ， 控 制 系 统 通 常 将 微 分 调
33、节 和 比 例 调 节 相 结合 或 是 和 比 例 积 分 调 节 器 相 结 合 。 其 中 比 例 积 分 微 分 调 节 器 集 比 例 的 迅 速 、积 分 的 消 除 功 能 、 微 分 的 预 报 性 于 一 身 ， 是 多 种 调 节 器 中 最 为 理 想 的 一 种 。3.3 PID 控制器参数整定方法众 所 周 知 ， 在 工 业 生 产 中 对 PID 控 制 器 的 参 数 进 行 整 定 是 非 常 有 必 要的 ， 因 为 我 们 可 以 通 过 对 PID 控 制 器 参 数 的 调 节 和 整 定 ， 从 而 得 到 控 制 系 统的 性 能 指 标 及 较
34、为 理 想 的 静 态 特 性 和 动 态 特 性 ， 除 此 之 外 ， 因 为 PID 控 制器 参 数 整 定 和 调 节 范 围 比 较 宽 泛 加 之 控 制 系 统 对 不 同 的 产 品 质 量 有 着 不 同 的要 求 ， 所 以 工 业 生 产 中 研 究 出 了 很 多 对 PID 控 制 器 参 数 的 整 定 方 法 。在 PID 控 制 参 数 整 定 过 程 中 ， 采 用 解 析 法 和 实 验 方 法 求 解 参 数 的 前 提条 件 是 必 须 知 道 精 确 的 系 统 数 学 模 型 。 针 对 数 学 模 型 难 以 确 立 且 较 为 复 杂 的控 制
35、 系 统 ， 我 们 可 以 采 用 易 于 操 作 的 Z-N 公 式 法 （ 即 齐 格 勒 -尼 科 尔 斯 法 则 ）来 进 行 参 数 的 整 定 。 除 此 之 外 ， 我 们 还 可 以 采 用 临 界 比 例 度 法 ， 即 稳 定 边 界法 、 衰 减 曲 线 法 、 最 优 整 定 法 、 智 能 整 定 方 法 对 PID 控 制 器 参 数 进 行 整 定 。第 4 章 双容液位控制系统建模方法及分析4.1 解析法解 析 法 通 常 被 称 为 机 理 演 绎 法 ， 在 控 制 系 统 的 模 型 建 立 中 我 们 可 以 按照 系 统 里 被 控 过 程 内 在
36、的 机 理 ， 从 而 得 到 系 统 相 关 的 动 静 态 平 衡 关 系 ， 比 如 ：动 量 平 衡 关 系 、 物 料 平 衡 关 系 及 物 理 和 化 学 相 关 的 反 应 定 理 等 ， 由 此 求 出 控制 系 统 中 所 需 要 的 数 学 函 数 。在 建 模 过 程 中 ， 解 析 法 建 模 具 有 将 被 研 究 的 控 制 过 程 看 作 透 明 的 箱 子的 特 点 。 解 析 法 基 本 的 建 模 步 骤 如 下 ：（ 1） 建 立 相 关 动 静 态 平 衡 关 系 ；（ 2） 建 立 输 出 量 、 控 制 量 及 状 态 量 三 者 之 间 的 关
37、系 ；（ 3） 建 立 模 型 的 增 量 化 方 程 ；（ 4） 简 化 过 程 的 特 征 ， 写 出 输 出 和 状 态 方 程 表 达 式 。在 解 析 法 建 模 的 过 程 中 ， 面 对 内 在 机 理 较 为 复 杂 的 工 业 过 程 仅 仅 采 用解 析 法 将 难 以 求 出 系 统 需 要 的 数 学 模 型 ， 所 以 ， 需 要 借 助 其 他 方 法 对 系 统 被控 过 程 的 数 学 模 型 进 行 求 取 。4.2 阶跃响应曲线法实 际 的 建 模 过 程 中 ， 阶 跃 响 应 曲 线 法 是 较 为 常 用 的 方 法 之 一 。 其 本 质 主要 是
38、通 过 试 验 得 到 控 制 系 统 的 阶 跃 响 应 。 该 方 法 的 步 骤 为 ：（ 1） 使 过 程 工 作 点 所 需 要 的 测 试 在 手 动 操 作 的 条 件 下 达 到 稳 定 ；（ 2） 工 作 点 在 稳 定 的 状 态 下 运 行 一 段 时 间 后 ； 改 变 其 过 程 输 入 量 ， 记录 其 相 关 曲 线 的 变 化 ；（ 3） 当 系 统 进 入 新 的 稳 定 状 态 之 后 所 得 到 的 曲 线 就 是 阶 跃 响 应 曲 线 。4.3 试验法试 验 法 的 思 路 是 ： 首 先 ， 先 对 被 控 过 程 给 一 个 输 入 作 用 并 记
39、 录 其 输 出 的变 化 量 ， 从 而 的 到 相 应 的 曲 线 及 数 据 ， 最 终 建 立 一 个 输 入 -输 出 的 数 学 模 型 。建 立 这 种 模 型 的 方 法 被 称 为 试 验 辨 识 法 （ 即 试 验 法 ） 。试 验 法 通 常 分 为 两 大 类 ： 经 典 辨 识 法 、 系 统 辨 识 法 。 经 典 辨 识 法 可 以 直接 得 到 非 参 数 模 型 ， 系 统 辨 识 法 可 以 消 除 需 要 测 试 的 数 据 中 噪 声 的 影 响 。多 容 过 程 可 分 为 两 大 类 ： 相 互 影 响 和 不 相 互 影 响 的 多 容 过 程 。
40、 多 容 过 程的 含 义 是 多 个 储 蓄 容 量 过 程 。 在 本 次 设 计 中 ， 我 将 以 最 简 单 的 多 容 过 程 双 容 过 程 作 为 本 次 设 计 的 研 究 对 象 并 分 析 其 数 学 模 型 。 4.4 无相互影响的双容建模分析图 4.4.1 中 的 双 容 器 没 有 相 互 串 联 的 联 通 管 道 ， 手 动 阀 为 两 个 容 器 的流 出 阀 门 方 式 ， 容 器 1 中 的 流 量 1Q与 容 器 2 中 的 液 位 2h毫 无 关 系 仅 仅 与 该容 器 中 的 1h有 关 ， 同 时 液 位 h和 液 位 不 存 在 相 互 影 响
41、 。图 4.4.1 双容液位无相互影响过程由于手动阀门为两个容器的流出阀门方式，因此有相关的线性方程如下：11Qah (4-1)22 (4-2)根据上诉题意，可根据双容过程中的原始数据建立以下模型：1122idVQt(4-3)假设两容器的线性水阻分别是 1R和 2，可的出以下相关方式：102hRa (4-4)202 (4-5)方程式中 10h、 2分别为容器 1 和容器 2 的初始液位。由上式可得出如下过程的传递函数：221()1hsRQAs (4-6)11()iss (4-7)由此可以推出：11()QshR (4-8)所以可以得出以下公式：111()()i ishsQARs (4-9)在该公
42、式中，我们假设 11TAR、 22，结合上面的相关方程式，得出以下该过程传递函数： 221221121()()i ihsQs RTsTss(4-10)由上诉的方程式我们可以知道，在本双容液位系统中，由于系统为分离式双容液位过程，因此仅仅只有容器 1 中的液位会影响到容器 2 的液位变化情况，容器 2 的液位无法影响容器 1 的液位，且两个容器不存在相互影响的情况。在分离式（两个容器分别独立）的双容过程中两个容器的传递函数的乘积等于整个过程的传递函数。但由于两个独立的传递函数乘积的 1/R1倍是过程中的增益，因此我们可以假设 Q1等于 ku，系统对液位 h 过程的传递函数如下式：221()SkR
43、GsuTs (4-11)由上式我们可以看出，得出的过程传递函数类似于具有两个趋于稳定的一阶自平衡的系统串联，属于二阶惯性环节。该过程中，决定系统反应速度的是其时间常数，并与反应速度成反比，时间常数越大，反应速度越慢，反之反应速度越快。在该过程中由于其等效时间 T 大于 max（T 1， T2）,整个控制系统过程的反应速度比一阶系统慢，面对这种情况，我们可以采用一阶惯性环节加纯滞后来解决该问题。4.5 相互影响的双容建模分析有 影 响 的 双 容 液 位 过 程 如 图 4.5.1， 与 图 4.4.1 相 比 ， 有 影 响 的 双 容液 位 之 间 存 在 一 个 串 联 的 管 道 ， 容
44、 器 1 的 液 位 h和 容 器 2 的 液 位 2h都 能 影响 流 量 1Q， 而 且 两 容 器 的 液 位 存 在 相 互 影 响 。图 4.5.1 相互影响的双容水箱过程两容器中流量与液位存在以下关系：1122Qah（4-12）假设容器 1 和容器 2 的水阻分别为：R 1和 R2，比例系数分别为：a 1和 a2，则可得出以下公式：10202haR(4-13)可推出：122hQR(4-14)iku (4-15)其数学描述如下：1121idhhAQkutR (4-16)212121hhdt (4-17)假设 11TAR, 22,可推出：112dhTkuRht (4-18)1221dt
45、 (4-19)t和 1h的关系式为：1 22dhRdhkuTtTt (4-20)通过求导整理计算得：2 211212dhdhTTARkut t(4-21)采用相同的方法求出 u和 1的关系并导出容器 1 和容器 2 的过程传递函数 1()Gs和 2()如下：21121()kTRshsuAs (4-22)2221112()sGTs (4-23)由上式可知，该两个传递函数都是二阶环节，因此有：2()1kRsTs (4-24)式中， 12T, 1212A。综上所诉，我们可以知道该双容液位过程是一个较为典型的二阶环节控制系统，因此其自振荡频率 12nT及其阻尼系数 1212nTAR决定了其动态特性的选
46、择。在 的选择过程中，当 =0 时，系统的振荡频率为 n，该系统特性表现为等幅振荡；当 01时，振荡频率和自振荡频率 n相关联，其过程特性为衰减振荡，越小其衰减越慢；当 1 时，系统的变化比较缓和，过阻尼特性为系统特性。第 5 章 双容液位控制系统设计与仿真5.1 被控对象的仿真模型建立在串级控制系统中，合理的对其进行设计是必不可少的。除此之外，其设计必须符合系统的控制要求才能充分的发挥串级控制系统的优越性。其设计主要包括主调节器、副调节器控制规律的选择及匹配，主回路、副回路法人选择，主调节器、副调节器的正反作用的选择，主回路、副回路中所包含的时间常数及扰动数量的匹配等。面对进入系统副回路的二
47、次干扰串级控制系统将会呈现很强的抗干扰能力，因此，在设计的过程中我们通常将提高副控制回路放大系数的整定值，并且将幅值较大、变化剧烈的干扰包含在系统的副控制回路中，在这种情况下，系统中的干扰将会受到副控制回路的有力、超前、快速的抑制作用从而使干扰在影响到主变量以前对控制系统的负面作用降到最小。在现代工业生产过程中单回路其中一种应用较为广泛的工业控制，其控制系统结构具有操作维护方便、结构简单、投资较少等优点。在单回路控制系统的设计过程中，我们必须要清楚的了解其控制系统的具体生产工艺，做到操纵变量和被控参数的合理选择，恰当的去选择控制器的相关参数及类型和控制器中阀门的流量特性及形，才能使动静态性能指
48、标达到其控制系统的要求值。在本次双容液位的控制系统的设计中，我们通过大量的实验及参数调试，最终由实验得出双容液位控制系统的主被控对象和副被控对象数学模型分别为：24()1.25/1sGse和 4()/12sGe，其控制器的调节规律为比例积分控制规律（即 PI） 。当控制器的参数整定到其最佳值时，控制系统可以得出串级控制系统和单回路控制系统在一阶扰动和二阶扰动及一阶、二阶扰动同时作用是的仿真波形图，其参数的最佳值为：K p=0.45，T I=0.00001。通过对单回路控制系统和串级回路控制系统仿真波形图进行比较及分析 ，可以得到这两者之间的差异及优缺点，详细仿真如下诉！5.2 串级控制系统仿真1、串级控制系统无任何扰动在串级控制系统中，其主调节器选用比例积分（PI）作用，副调节器选用比例（P）作用。（1）主调节器参数设置为：K P=0.45，T I=0.00001，T D=0；（2）副调节器参数设置为：K P=0.45，T I=0，T D=0；（3）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=50；（Initial time)=0;(Final Value)=1,(Sample time)=0。图 5.2.1（a
