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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
3、研教学装置，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
5、换和芯片运算处理，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。
6、水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 Eas
7、yControl 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
8、来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
9、发周期，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
10、出水阀门，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 1.14
11、8 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 de
12、tected 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 si
13、mulink 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
14、 0.44 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 detec
15、ted 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 si
16、mulink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
