《双容水箱实验教学仿真系统开发设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双容水箱实验教学仿真系统开发设计（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、安徽理工大学毕业设计I双容水箱实验教学仿真系统开发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。作为一个过程控制实验装置，双容水箱液位控制系统具有强大的实验功能，不仅可以实现单入单出一阶对象、二阶对象、和非线性双入双出对象，而且还可以作为一种多功能型实验设备去验证各种工业过程的控制算法。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，设计PID 控制器，在 Matlab/Simulink 环境下建立双容水箱控制的仿真模型，对 PID控制算法进行仿真研究，通过仿真实验，证
2、明该设计方法可行性和该算法的正确正确性。关键词 : 双容水箱, 实验法建模, PID 控制DOUBLE LET WATER TANK EXPERIMENT TEACHING SIMULATION SYSTEM DEVELOPMENT DESIGN ABSTRACTThe purpose of this thesis is to design the liquid levels concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic in
3、dicator technique, the computer technique, the communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tanks liquid. As a process control experiment device, double let water tank level control system has strong experiment function: can not only
4、realize and single-output first-order object, and the second object, and nonlinear double into double the object, but also can serve as a kind of functional laboratory equipment to test various industrial process control algorithm. First, I carry out the analysis of the controlled objects model, and
5、 use the experimental method to calculate the transfer function of the model. Next，PID controller is designed in Matlab / Simulink environment to establish control of two-tank simulation model，Simulation of the PID control algorithm is studied through simulation experiments show the feasibility of t
6、he design method and the algorithm is correct.KEYWARDS：the double capacity water tank, experiment modeling, PID controlII目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1课题提出背景11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状21.3 过程控制的发展过程31.3.1 过程控制的发展31.3.2 过程控制策略与算法的进展41.3.3 传统过程控制存在的问题51.3.4 过程控制的发展趋势51.4 控制理论的发展51.5 研究目的71.6 本章小结72
7、双容水箱的数学建模82.1 数学模型的介绍82.1.1数学模型的定义82.1.2数学模型建立方法82.2 双容水箱数学模型建立92.2.1双容水箱总体结构及工作原理的分析与介绍92.2.1.1双容水箱系统的总体结构92.2.1.2单入单出的一阶系统对象的结构102.2.1.3单入单出的二阶系统对象的结构112.2.1.4 双容水箱系统的特点112.2.2 双容水箱实验台112.2.3双容水箱系统的特点122.2.4 被控对象数学模型推导132.2.4.1单容水箱数学模型132.2.4.2双容水箱数学模型152.2.4.3双容水箱系统模型的参数辨识172.3 本章小结173 PID控制理论与参数
8、整定183.1 PID控制理论的发展与现状183.2 PID控制原理及特点183.2.1 PID控制器工作原理183.2.2 PID控制器的特点203.3 PID控制器的参数整定203.3.1 经验试凑法213.3.2 临界比例度法213.3.3 衰减曲线法213.4 PID参数对系统性能的影响223.5 本章小结224控制系统设计234.1 控制系统性能指标234.2 控制方案选择234.3 串级控制系统的组成234.4 双容水箱串级控制系统的设计244.4.1主、副回路设计244.4.2 主、副变量设计254.4.3操作变量设计254.4.4 主、副控制器设计254.4.5 控制器参数整定
9、264.4.5.1 整定过程274.4.6 控制系统抗扰动能力测试324.5 本章小结33结论34参考文献35致谢36ii1绪论1.1课题提出背景 随着工业生产的飞速发展，人们对控制系统的控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高。而实际工业生产过程中的被控对象往往具有非线性、时线性、时延对象的先进控制策略，提高系统的控制水平，具有重要的实际意义。每一个先进、实用的控制算法的出现都对工业生产具有巨大的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，甚至相差几十年。在我国，越是高深的、先进的控制理论，其研究越是局限于少数科研院所的狭小范围内，也越是远离了国民生产
10、这个应用基地。最近几年，国内一些控制领域已接近甚或超越了国际水平，然而，就先进理论应用于工业生产等领域的状况来讲，与发达国家相比却存在较大差距。其原因固然是多方面的。 但是， 一个很明显的原因就是在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，理论的算法一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用前景。在目前尚不具有在实验室中复现真实工业过程条件的今天， 开发经济实用的具有典型对象特性的实验装置无疑是一条探索将理论成果转化为应用技术的捷径。在过程工业中，被控量通常有以下四种：液位、压力、流量、温度，而液位不仅是工业过程中的常见参数，且便于直接观察，也容易测量，过程时间常数一般比较小，以液位过程构成
11、实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案。液位控制装置也是过程控制最常用的实验装置，国外很多实验室有此类装置，很多重要的研究报告、模拟仿真等均出自此类装置。双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例如工业锅炉、结晶器液位控制。而且，双容水箱的控制可以作为研究更为复杂的非线性系统的基础，又具有较强的理论性，属于应用基础研究。同时，它具有较强的综合性，涉及控制原理、智
12、能控制、流体力学等多个学科。1.2 国内外研究现状 随着人们生活质量的提高和环境的变化，“水”已经成为人们关注的对象！不管是生活用水，是工业用水，这都牵扯水的过程控制问题。将PID算法运用到水位控制系统中，不仅可以解决水塔的自动化给水问而且还可以合理、安全、节约的使用水资源，近而使居民安居乐业，使我国工业自动化不断的向前发展！1.2.1 国外研究现状德国 Amira 自动化公司研制的双容水箱系统是著名的智能实验设备之一， 在国外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用，国内也有包括清华大学、浙江大学、吉林大学等高校引进了 Amira 公司研制的双容水箱过程控制实验装置。但是，由于德国Amira 自
13、动化公司研制的双容水箱系统价格太高，给购置这个实验设备带来很多困难。也正是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：(1)对象存在
14、滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。(2)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。(3)控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳
15、定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。1.2.2 国内研究现状国内也有一些厂家研制了双容水箱液位系统。GWT 系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成， 并经过香港城市大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。 开放的控制器平台， 便于用户进行自己的控制器设计， 满足创新研究的需要。THJS-1 型双容水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现
