1、 四川理工学院大作业（论文）基于 MATLAB双容水槽液位控制系统设计学 生：专 业：过程装备与控制工程班 级： 四川理工学院机械工程学院二 O 一六年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 基于 MATLAB 双容水槽液位控制系统设计 学院： 机械工程学院 专业： 过控 班级： 学生： 接受任务时间 2016.06 系主任 （签名） 院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求（1）选择控制对象（2）确定被控变量（3）分析被控变量特性，确定控制方案并进行论述，进行相应选型2指定查阅的主要参考文献及说明1彭燕1.过程控制课程中一个液位控制系统综合实验J.计算
2、机与数字工程,2015,43(6):1129-1131.2刘静1.具有相互影响的液位过程自整定 PID 控制器设计J.伺服控制,2013,(6):41-44.3徐庆龙.智能 PID 算法在远程液位控制系统中的应用J.微计算机信息,2003,19(12):19-20.3进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献、初步计算相关数据 2016.05.20-2016.05.232 初步定稿、基本完成设计说明书 2016.05.23-2016.05.263 根据文档、编制讲解 ppt 2016.05.26-2016.05.29摘 要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控
3、制问题,例如居民生活用水的供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄液池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。因此液面高度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，能收到很好的效果。PID 控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为双容水箱液位的控制系统，其模型为二阶惯性函数，控制方式采用了 PID 算法，调节阀为电动调节阀
4、。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。关键词：PID 控制 过程控制 液位控制 MATLAB 仿真IABSTRACTIn many fields of people life and industrial production often involves the liquid level and flow control problem, such as a variety of residents living water supply, beverage, food processing, filtering t
5、he solution, chemical production industry in the production process, usually need to use storage tank, storage tank level need to maintain the appropriate height, both can not be too full to overflow caused by waste, not too little and unable to meet the demand. Therefore, the height of the liquid l
6、evel is an important parameter in the process of industrial control, especially in the dynamic state, the method can be used to detect and control the liquid level. PID control (proportional, integral and differential control) is the most widely used control method at present.This paper is mainly ab
7、out the design process of a water tank level control system, which involves the dynamic control of the liquid level, the modeling of the control system, the PID algorithm, the sensor and the control valve and so on. As a dual tank water tank level control system, the model of the two order inertia f
8、unction, control method using the PID algorithm, the control valve for the electric control valve. The selection of the appropriate device, control scheme and algorithm is to satisfy the requirements of the system to control the quality of the system, such as control precision, adjust time and overs
9、hoot.Key words: PID control;process control; level controlII目 录摘 要 .IABSTRACT.II概述 1第一章 控制系统的组成 21.1 被控对象的选择 21.2 控制变量的选择与分析 21.3 调节器的选择与分析 2第二章 数学模型的建立 4第三章 控制系统总体方案 6第四章 控制系统元件选型 74.1 执行器的选择 .74.1.1 执行器分类 .74.1.2 电动阀门的选择 .74.2 液位变送器的选择 .84.2.1 常用的液位变送器 .84.2.2 超声波变送器 .9第五章 利用 MATLAB 进行仿真设计 105.1 传
10、递函数的确定 105.2 MATLAB 仿真设计 .105.2.1 整定主回路控制器 PID 参数 105.2.2 干扰对系统的影响分析 125.2.3 MATLAB 分析结果 .13总结 14参考文献 150概述在工业生产过程中，液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。工艺要求液位贮槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽。下水槽水的流出量由用户根据需要改变
11、，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）1第一章 控制系统的组成1.1 被控对象的选择本次设计为两个水槽的串联，它们之间的连通管具有阻力，因此两者的液位是不同的。自来水 Qi首先进入水槽 1，然后再通过水槽 2 流出。水流入量 Qi由阀 1 控制，流出量 Q1决定于阀 2 的开度（根据用户的需求改变），被控变量是水槽 2 的液位 h2。下图为双容水槽示意图：图 1-1 串级控制的双容液位过程主控制对象：水槽 2副控制对象：水槽 11.2 控制变量的选择与分析主被控变量：水槽 2 的液位直通单座调节阀即阀门 1 的改变不会立即引起水槽 2
12、 液位的变化，需要通过中间变量即水槽 1 液位的变化来间接改变水槽 2 液位的变化，所以使得控制通道容量滞后大、时间常数大（会导致系统的控制作用不及时，反映迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低）。副被控变量：水槽 1 的液位水槽 1 的液位直接影响水槽 2 的液位，而水槽 1 的液位受入水口流量的影响，反应速度快，滞后时间短。控制变量（操纵变量）：入口流量 Q1通过改变入口流量阀门的开度，改变水槽 1 的液位高度，固定阀门 2 的开度，从而改变水槽 2 的液位高度。1.3 调节器的选择与分析四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）2主调节器：2 水槽液位引起的
13、 PID 调节器的变化通过液位变送器测出 2 水槽液位是否满足期望值，把偏差传输给 PID 调节器，调节入口阀开度，使 2 水槽液位接近期望值，实现“细调”功能。副调节器：1 水槽液位引起的 PID 调节器的变化通过液位变送器测出 1 水槽液位是否满足期望值，把偏差传输给 PID 调节器，调节入口阀开度，快速实现入口流量的变化，迅速实现“粗调”作用。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）3第二章 数学模型的建立对于双容液位对象，根据物料平衡方程可以写出两个关系式 。水槽 1 的动态平衡关系为（2-1 ）dthA1=Q- 0水槽 2 的动态平衡关系为（2-2 ）dth221式（-
14、）与式（-）相加得：（2-3 ）dthAtQ2120同理，在 、 变化量极小时，水流出量与液位的关系近似为（2-4） 1SRh（2-5 ）2QS将式（2-）和式（2-）代入式（2-）并求微分后，经整理得到（2-6 ）dthRtdAdthSS2121再将式（2-）和式（2-）代入式（2-），经整理得到（2-5）（2-7 ）12221212 )( vSSSS qhdtdthRA式中， 分别为水槽 1、2 的横截面积;RS1、RS2 分别为水槽 1、2 的出水阀阻力系数。令 T1=A1.RS1，T2=A2.RS2，k=RS2，则：（2-8 ）122121)(vqkhdtTdthT式（2-8）就是描述
15、图 2-1 所示双容水槽主被控对象的二阶微分方程式。通常这样四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）4的被控对象叫做二阶被控对象。式中的 T1 为水槽 1 的时间常数，T2 为水槽 2 的时间常数，K 为被控对象的放大倍数。图 2-1 双容液位对象四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）5第三章 控制系统总体方案控制总体方案图如图 3-1 所示：图 3-1 控制系统总体方案设计图四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）6第四章 控制系统元件选型4.1 执行器的选择在现代生产过程控制中，执行器起着非常重要的作用，是自动调节系统中不可缺少的组成部分。执行器
16、的作用是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操纵量（如介质流量、热量等），达到对被控参数进行调节的目的。4.1.1 执行器分类执行器按照工作能源分为三大类：液动、气动、和电动执行器。电动阀简单地说就是用电动执行器控制阀门,从而实现阀门的开和关。其可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门。气动阀门就是借助压缩空气驱动的阀门，由气动执行机构和调节机构两部分组成。气动阀门和电动阀门开关动作速度可以调整，结构简单，易维护，但气动阀门动作过程中因气体本身的缓冲特性，不易因卡住而损坏，但必须有气源，在一些对控制要求高的厂还要专为气动仪表控制元件设置压缩空气站。且其控制系统也比电动阀门复杂。而
17、电动阀门的要求就是有电就能对被控参数进行调节。4.1.2 电动阀门的选择电动阀分两种，一种为角行程电动阀：由角行程的电动执行器配合角行程的阀使用，实现阀门 90 度以内旋控制管道流体通断；另一种为直行程电动阀：由直行程的电动执行器配合直行程的阀使用，实现阀板上下动作控制管道流体通断。通常在自动化程度较高的设备上配套使用。这次设计，我们选择 DKZ 系列直行程电动调节阀。该执行器是由 DKZ 直行程电动执行器与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的。该执行器具有推力大。定位精度高，反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。与 DF
18、D 电动操作器配合使用，可以在控制室进行自动手动切换。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）7图 4-1 电动阀门图4.2 液位变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用 420mADC、15VDC、010mADC 的电流（电压）信号，或 20100kPa 的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。4.2.1 常用的液位变送器浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于 0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件，它可以
19、在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成 420mA 或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过 28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿
20、，最后以 420mA 或 010mA 电流方式输出。电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成，它以两线制 420mA 恒定电流输出为基型，经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）815V、05V、010mA 等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时，因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数，所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电
21、路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如 LCD 显示器）和探头两部分组成，这种直接输出 420mA 信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头）和电子电路组装在一起，从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。这次大作业我们选择超声波变送器来测量液位。4.2.2 超声波变送器与其他变送器相
22、比，超声波变送器较好地解决了旋转式、压力式、电容式、浮子式等传统测量方式带来的粘莲、缠绕、堵塞、泄露、介质腐蚀、维护不便等缺点。该变送器有以下特点：适合恶劣工业场合；抗干扰性强及在线输出调节；换能器内置温度传感器，实现测量值的实时自动温度补偿；参数可通过 RS485 设置，屏蔽探头附近干扰信号；420MA 电流输出，可选现场总线接口。技术参数如下：工作温度：-10+70；工作电源：DC12-24V/50mA；精度：0.3%量程或1mm；防爆等级本安防爆：ExiaIIBT4；盲区：60mm300mm(不同量程)；输出信号：420mA；RS485(可选)；外形尺寸：55mm119mmG1 1/2
23、管螺纹；安装方式：G11/2 管螺纹或 47mm 圆孔(配锣环)。图 4-2 超声波变送器四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）9第五章 利用 MATLAB 进行仿真设计5.1 传递函数的确定由（2-8）得双容水槽 2 系统模型为：（5-1 ）12211)(vqkhdtTdthT对上式进行 laplace 变换，有：（5-2 ）)()()()s 12121 skQHsHv则水槽 2 传递函数为：（5-3 ）1)()(2121sTsQsGv取水槽 1 的横截面积为 2m2，出口阀阻力系数 0.5，水槽 2 的横截面积为 2m2，出口阀阻力系数 0.5，则水槽 2 传递函数为：（5
24、-4 ）241)(2ss5.2 MATLAB 仿真设计在无干扰情况下，整定主控制器的 PID 参数，整定好参数后，分别改变 P、I、D参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化，串级控制系统框图如下：图 5-1 串级控制系统框图5.2.1 整定主回路控制器 PID 参数系统的 MATLAB 仿真框图如下（无噪声）：四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）10图 5-2 无噪声主回路控制系统的 MATLAB 参数整定仿真框图（1）参数：K1=12 ,I1=1,D1=2图 5-3 无噪声主回路控制系统的 MATLAB 参数整
25、定仿真框曲线图（2）参数：K1=12 ,I1=4,D1=2图 5-4 无噪声主回路控制系统的 MATLAB 参数整定仿真曲线图四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）115.2.2 干扰对系统的影响分析在无干扰最佳曲线下加入干扰，系统的 MATLAB 仿真框图如下（有噪声）：图 5-5 有噪声主回路控制系统的 MATLAB 仿真框图仿真曲线如下：图 5-6 有噪声主回路控制系统的 MATLAB 仿真曲线图5.2.3 MATLAB 分析结果观察以上曲线可以初步看出，经参数整定，分别改变 P、I、D 参数后，使系统的性能有了很大的改善，并且加入干扰后，一段时间也能达到平衡。因此，研究
26、出该调节器的 PID 控制参数为：K=12，I=4，D=2。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）12总结对于这次双容水槽的控制系统设计，起先我们摸不着方向，尝试了几种不同的控制对象后，最后确定做双容水槽的控制设计。一来因为双容水槽在化工设备方面的应用十分广泛，二来因为我们对双容水槽有一定的了解。这次大作业让我们意识到自己所学的知识还很少，学的也不太扎实，书到用时方恨少。要完成控制系统的仿真设计，又去补习了 MATLAB 的相关知识，才完成了本次的大作业。我们的不足之处还请老师批评指正。四 川 理 工 学 院 课 程 设 计 （ 论 文 ）13参考文献1彭燕1.过程控制课程中一
27、个液位控制系统综合实验J.计算机与数字工程,2015,43(6):1129-1131.2刘静1.具有相互影响的液位过程自整定 PID 控制器设计J.伺服控制,2013,(6):41-44.3徐庆龙.智能 PID 算法在远程液位控制系统中的应用J.微计算机信息,2003,19(12):19-20.4李文睿.三容水箱液位的 PID 控制技术J.山东工业技术,2016,0(1):15-15.5刘志其1.双容水箱液位控制系统的建模及其 PID 控制算法研究J.科技风,2015,0(18):95-96.6陈鹏1.三容水箱预测 PID 控制方法研究J.价值工程,2015,34(14):46-48.7朱慧妍1.水箱液位 PID 控制系统研究J.中国机械,2014,0(23):237-238.8童晨风1.一种改进的 PID 控制算法在水箱液位控制中的应用J.中国科技纵横,2014,(3):50-50.9王毅1.过程装备控制技术及应用.北京:化学工业出版社,2007:15-16.
