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1、 北方民族大学学士学位论文论文题目: 基于MATLAB的液位与流量串级控制系统设计与仿真 院(部)名 称: 电气信息工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 论文提交时间: 2011年5月20日 论文答辩时间: 2011年5月28日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或
2、集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或
3、撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要随着科学技术的不断进步，在现代各种复杂控制系统中 ，串级控制系统占有较大比
4、重；串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统的控制效果而提出来的一种控制方案。串级控制系统把两个单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起，它不仅具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。串级控制系统采用了两个调节器，因此它的调节器的参数整定更复杂一些。本论文论述了一个液位流量串级控制系统的设计方法和步骤，介绍了它的参数整定方法。在此过程中，介绍了对液位和流量进行检测和转换的常用元件，应用阶跃响应曲线推导了广义对象的传递函数，简单地论述了串级控制系统的优点，讨论了它对控制效果的改善作用，并使用matlab仿真软件对该系统进行了仿真 。关
5、键字:串级控制,液位,流量,仿真ABSTRACTAlong with the science and technology unceasing progress, in the modern various complex control system, the cascade control system possess larger proportion; Cascade control system is one of the process control system, for improve the single control system control effect to b
6、rought out a control scheme. The two cascade control system single loop control system to certain structure form series together, it is not only a single loop control system fully functional, but also has many single loop control system had no merit. Cascade control system adopted two regulator, so
7、its regulator parameter setting onto more complicated.This paper discusses a level - flow cascade control system design method and procedure, introduced its parameter setting method. In the process, introduces the level and flow testing and convert common elements step response curve, application or
8、der is deduced the transfer function of generalized object, briefly discusses the advantages of cascade control system, and discussed its control effect, and the improving function of using matlab simulation software of the system is simulated.KEY WORDS: cascade control ,Level,flow,simulation 目录前 言1
9、第1章 概述2第2章 串级控制系统42.1 串级控制系统的概述42.2 串级控制系统的特点52.3 串级控制系统的设计52.4 串级控制系统的整定方法82.5 串级控制系统的工业应用9第3章 液位和流量的检测转换元件113.1 流量检测转换元件113.2 液位检测转换元件163.3 适合本系统的检测转换元件193.4 执行元件的选择、性能参数19第4章 总体设计204.1 过程建模的方法214.2 串联的多容过程23第5章 PID控制简介与整定及仿真245.1 PID控制简介265.2 PID参数整定方法295.3 单级控制系统的仿真345.4 串级控制系统的仿真36结 论40致 谢41参考文
10、献42附录43 北方民族大学学士学位论文 基于MATLAB的液位与流量串级控制设计与仿真前 言随着工业生产的飞速发展，液位与流量过程控制的应用十分普遍，所以为了保证生产的正常进行，生产工艺要求储槽内的液位常常需要维持在某个设定值上，或只允许在某一小范围内变化。与此同时，为确保生产过程的安全，还要绝对保证液体不产生溢出。所以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。此时，单回路控制系统往往难以满足这些要求。为了提高控制品质，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。而串级控制就是其中一种提高控制品质的有效方案。本文所提及的双容水箱液位控制系统是参考了国内
11、外实验装置并充分考虑性能价格比的基础上，自行设计的一种可以模拟多种对象特性的实验装置。双容水箱虽然结构简单，但却是最基本的过程空竹系统。即使在复杂、高水平的过程控制系统中，这类系统仍占大多数（约占工业控制系统的70%以上）。复杂过程控制系统也是在简单控制系统的基础上构成的，即便是一些高级过程控制系统，也往往是将这类系统作为最低层的控制系统。因此，学习和掌握简单控制系统的分析与设计方法既具有广泛的实用价值，又是学习和掌握其他各类复杂控制系统的基础。因此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
12、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。本毕业设计课题针对液位与流量对象浅述了串级控制系统的主要设计方法和步骤，虽然只是串级控制系统的一个简单的应用例子，但也初步综合了自动控制原理、过程控制、检测与传感器技术、自动控制专业的知识，对于提高对专业知识的认识水平、培养实践动手能力有重要意义。本论文共分为六章：第一章为概述；第二章为串级控制系统介绍；第三章叙述了液位与流量检测转换元件的确定；第四章是总体设计；第五章介绍PID控制简介与整定及仿真。第1章 概述随着现代工业生产过程的发展，对控制系统的控制品质提出了更高的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足
13、一些复杂的控制要求，串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统。串级控制系统就是将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结构。其优点是对进入副回路的干扰有很强的抑制能力，能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速干扰能力，对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。对液位与流量控制这种滞后较大、非线性的过程，串级控制优点显著。流量和液位控制在实际中有较多的应用，在生产过程中也是一个很重要的控制参数，液位和流量自动控制的任务就是控制给水流量与出水量保持平衡，使液位在允许的范围内变化，研究容器内部实际液位与流量计显示液位差值的成因,并设法修正和消除这个差值,对于合理控制汽液位
14、,保证机组安全经济运行有着重要的现实意义。对流量和液位控制系统的仿真有一定的应用价值面对复杂的工业过程及环境，系统的仿真又显得非常重要。MATLAB作为当前国际控制界最流行的面向工程和科学计算的高级语言，它可轻易地再现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，并可以设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。MATLAB环境下的Simulink是当前众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一个用于系统建模、仿真和分析的动态仿真集成环境工具箱，且在各个领域都得到了广泛的应用。本毕业设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本毕业设计课题具有较大的现实意义。而且通过综合应用自动控制专业的各门课程知识，有助于加深对专业知识的理解，提高专业理论水平，并培养实践动手能力，为今后走上工作岗位打下坚实的基础。通过本毕业设计，能对过程控制、传感器技术、电子技术、自动控制原理等课本上的基本原理、基本知识的有深刻的理解和应用，熟悉串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养创新能力，加强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。作者以严谨的态度对待毕业设计，认真复习有关基础理论和技术知识，认真查阅参考资料，仔细分析被控对象的工作原理、特性以及控制要求。能在
