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1、 本科毕业设计（论文）题 目温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究学生姓名石万成学号0907030139教学院系电气信息学院专业年级自动化2009级指导教师罗敏职称讲师单位电气信息学院辅导教师职 称单位西南石油大学完成日期2013年6月8日温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究摘要本设计要求设计一个利用温泉泉眼热水作为热源的温度液位耦合控制器，该控制器能够实现将从泉眼中抽出的热水与冷水进行热交换，通过控制热水与冷水的注入量来控制温泉浴池的温度和液位达到设定值范围内。在本设计中使用MATLAB对PID控制、模糊控制、模糊PID以及单神经元PID控制算法进行了仿真，由于水温液位调节存在有很大的滞后性，
2、本设计中还使用了Smith预估器进行时滞补偿。最后确定为带Smith预估器的模糊PID的控制效果最佳。由于温泉浴池需要控制和检测的变量比较多，为了方便统一监控，本设计还对整个系统进行了力控组态研究。力控监控组态软件可以对现场生产进行数据采集与过程控制，它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化工程师系统集成的时间，提高了集成效率。 关键词：水温液位；单神经元PID；模糊PID；史密斯预估器；组态 abstctThis design requires use of a hot spring eye design water as heat source
3、coupled to the temperature level controller which can be achieved from the hot springs in the extracted heat exchange with cold water, hot water and cold water by controlling the injection amount to control the hot tub temperature and liquid level reaches the set value range.In this design, the use
4、of MATLAB for PID control, fuzzy control, fuzzy PID and the single neuron PID control algorithm for the simulation, because there is a large water level adjustment lag, this design also uses a Smith Predictor for delay compensation. Finally identified with Smith Predictor fuzzy PID control works bes
5、t.Because hot tubs need to control and detect more variables, in order to facilitate unified control, the design of the entire system also controls the configuration of the force. Power control monitoring configuration software can be produced on-site data acquisition and process control, which prov
6、ides a good user interface and simple development project implementation, through the configuration approach can greatly shorten the time for automatic system integration engineers to improve integrated efficiencyKey words: Water temperature and liquid level; Neurons PID; Fuzzy PID; Smith predictor.
7、；ConfigurationI温泉水温液位耦合控制器设计与仿真研究目录1 绪论11.1发展现状11.2 研究意义与需求分析21.3总体方案设计21.4 课题研究的任务22工艺流程及器件选型42.1工艺流程42.2 器件选型43 数学建模83.1 数学建模83.2 数学模型解耦93.2.1解耦原理93.2.2 解耦控制器的计算114 仿真系统设计与对比分析124.1 解耦控制算法仿真124.2 PID控制算法原理及仿真144.2.1 PID控制算法原理144.2.2 PID控制系统仿真164.3 模糊控制原理及仿真174.3.1 模糊控制原理174.3.2模糊控制算法仿真234.4 自适应模糊P
8、ID原理及仿真254.4.1自适应模糊PID原理254.4.2自适应模糊PID控制算法仿真264.5 单神经元PID原理及仿真284.5.1 单神经元PID原理284.5.2 单神经元PID控制系统仿真314.6 Smith预估器原理及仿真344.6.1 Smith预估器原理344.6.2 Smith预估器控制算法仿真365 力控组态395.1 组态研究的意义395.2 登陆界面设置395.3 组态界面405.4 曲线与报表设置425.5 系统运行与调试475.5 力控与罗克韦尔互联545.5.1 OPC服务器的建立545.5.2 PID程序设计步骤575.5.3 模糊PID设置615.5.4
9、 系统调试与运行626 总结66致谢67参考资料68附录一：S函数69附录二：perf ( ) 函 数71附录三：力控控制策略72附录四 PID及模糊PID控制算法程序73I1 绪论1.1发展现状随着智能控制技术的发展，温泉水温控制方法也有了明显的进步。己从之前的直接控制转变成PID控制、神经网络控制、模糊控制等智能控制方法。 (1)PID控制比例P、积分I、微分D控制，是目前很普遍的一种温度调节方法，二十世纪中期以来，被广泛应用到工业生产过程领域。PID控制虽然由于其控制原理简单、实用、成本低廉成为普遍的调节方法，但其缺点是难以确定被控对象的数学模型，现场难以整定最为合适的参数。(2)神经元
10、控制是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，神经元由于具有的并行处理、非线性处理、自适应和通过训练获得学习等适合于控制的特性和能力，在多变量系统、大系统和复杂系统特别适用。温度受负载的变化以及外界干扰如气温、热流量、散热等复杂因素的影响，神经元温度控制系统可以将这些影响因素作为网络的输入，将PID控制器的参数作为输出，把实验数据作为训练样本，在处理器中不断进行迭代实现自我修整与完善直到收敛，获得网络权值达到控制器参数自整定的目的。(3)模糊控制是应用模糊集合理论的控制算法，对频繁变化的对象或不能确定数学模型和难以建立精确数学模型的系统控制较为方便。模糊控制是基于规则的系统，能较强的抑制系统干
11、扰，具有强鲁棒性。然而，模糊控制没有明确的结构，没有完整的规则库，缺乏对控制系统进行分析和设计的方法步骤。模糊控制属于非线性领域，与PID相结合优点明显。模糊PID温度控制用温度的变化情况通过模糊推理整定PID控制器三个参数。在上述各种控制器所具有的优良性能上，将各种控制方法和控制系统进融合，出现了复合智能控制系统，这些复合智能控制系统如模糊PID控制、模糊神经网络、专家模糊控制系统由于其性能优良也在温度控制方面得到了大力应用。1.2 研究意义与需求分析为了更好的满足客户的需求，系统只有通过自动检测温泉池的水温液位环境，了解水温是否在一个最佳的理想环境中，从而对其进行调整，及时满足各池的最佳温
12、度条件，减少温泉的能量损失，使温泉提供舒适，节能的水文环境。因此只有发展温度自动监控技术，温泉的发展才能向高水平，高质量，高效率发展。为了使的控制浴池的温度液位控制效果比较好，设计者可以采用不同的控制算法。1.3总体方案设计本设计要求设计一个利用温泉泉眼热水作为热源的温度液位耦合控制器，该控制器能够实现将从泉眼中抽出的热水与冷水进行热交换，通过控制热水与冷水的注入量来控制温泉浴池的温度和液位达到设定值范围内。设计要求浴池温度为40，水位保持在60cm。本设计可以分为以下两个模块：（1）使用MATLAB对PID控制、模糊控制、模糊PID、单神经元PID控制算法以及Smith预估器进行仿真，通过对
13、仿真结果的对比分析，最终选择一种控制效果最好的控制算法。（2）利用力控进行组态研究。由于温泉浴池需要控制和检测的变量比较多，为了方便统一监控，需要对整个系统进行组态研究。力控监控组态软件可以对现场生产进行数据采集与过程控制，通过“组态”的方式可以大大缩短自动化工程师系统集成的时间，提高了集成效率。1.4 课题研究的任务本设计要求设计一个利用温泉泉眼热水作为热源的温度液位耦合控制器，该控制器能够实现将从泉眼中抽出的热水与冷水进行热交换，通过控制热水与冷水的注入量来控制温泉浴池的温度和液位达到设定值范围内。本课题主要内容有一下几个部分：（1） 温度控制的方案设计：主要研究恒温恒液位控制的实现原理，
14、进行水温液位耦合控制系统的总体方案设计。（2） 控制算法的对比分析：列举PID控制，模糊控制以及模糊PID、单神经元PID等控制算法进行对比分析。（3） 仿真模型的调试与对比分析：对设计的控制系统中的参数进行调试与分析,然后对比各种控制算法的仿真结果，选择超调量，调节时间最合理的一种，使测量温度的精确度较高。（4） 力控组态研究：在力控上搭建一个模拟实际的组态，进行数据集成。 2工艺流程及器件选型2.1工艺流程温泉水温液位控制流程图如下图所示，泉眼流出的水通过水泵和阀门流入浴池，冷水水源为地下水，由浴池上方的阀门注入，热水水温为温泉泉眼流出的热水，由左方流入，通过控制热水阀门和冷水阀门来调节冷
15、水和热水的注入量从而使温度和液位保持在设定值允许的误差范围内。由于控制对象为高温温泉，为保证安全，系统必须保证冷水的供应，因此设计有冷水紧急阀门，当正在使用的阀门出现了故障可以及时的切换到紧急阀。冷水池的液位设置成一个定值。用不完的热水直接排出 图2.1 温泉浴池控制系统2.2 器件选型温泉依温度之高低不同可分为三类，高于75者为高温温泉，40至75者为中温温泉，低于40者为低温温泉。温泉浴池水温一般保持在40至65之间,具体温度由个人设定。本设计的研究对象为出水口温度80，酸碱值大于8的恒流温泉。本设计用到的器件主要有温度传感器、液位传感器、水泵以及电磁阀，由于本设计的对象为高温碱性温泉，为使系统稳定持久运行，所选择的器件必须以
