基于MATLAB双容水箱流量串级控制系统设计
摘 要
本设计针对双容水箱流量控制问题，综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了双容水箱流量流量串级控制系统。首先，通过实验法建立双容水箱的数学模型，得到双容水箱流量与进水流量之间的传递函数，通过对理论设计的控制方案进行仿真，得到较好的响应曲线，为实际控制系统的实现提供先决条件。其次，使用智能仪表作为控制器，组建现场仪表过程控制系统，通过参数整定，得到较好现场控制效果。再次，实现积分分离的PID控制算法。
关键词：流量 串级控制系统 PID控制 仪表过程控制系统 计算机过程控制系统
Abstract
Aiming at the flow control problem of double water tank, the flow cascade control system of double water tank is designed by applying process control theory, simulation technology, computer remote control and configuration software. Firstly, the mathematical model of double water tank is established by experiment, and the transfer function between the flow of double water tank and the inflow flow is obtained. Secondly, using the intelligent instrument as the controller, the field instrument process control system is established, and the better field control effect is obtained through parameter setting. Thirdly, the PID control algorithm of integral separation is realized.
Key words: flow cascade control system PID control instrument process control system computer process control system
目录
摘 要 1
Abstract 2
1 概述 3
1.1过程控制 4
1.2串级控制系统 5
1.3 MATLAB软件 7
1.4 MCGS组态软件 8
2 PID控制器原理 10
2.1 PID控制器简介 10
2.2 PID控制系统 11
2.3 PID控制参数的整定及方法 12
2.3.1 PID控制参数的整定简介 12
2.3.2 PID控制参数整定方法 12
3 建立被控对象模型 16
3.1 被控对象建模 16
3.2 测量被控对象阶跃响应曲线 17
3.3求取被控对象传递函数 18
4 控制方案的设计及仿真 23
4.1 设计控制系统框图 23
4.2 Simulink控制系统仿真 24
4.3仿真结果分析 25
4.5系统仿真建模 27
4.5.1 工程实训数据以及传函来源 27
4.6 实验仿真 27
4.6.1双容液位控制系统仿真 27
4.6.2 计算机液位流量串级控制系统 33
4.7系统仿真结论以及分析 36
4.8串级控制与单回路控制系统抗干扰性能仿真 37
4.9实验方案 40
4.10实验设备 42
致谢 50
参考文献 51
1 概述
1.1过程控制
1．工业过程控制的发展概况
自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材等工业部门。
初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数流量、液位、压力、流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。其后，串级控制、比值控制和前馈控制等复杂过程控制系统逐步应用于工业生产中，气动和电动单元组合仪表也开始大量采用，同时电子技术和计算机技术开始应用于过程控制领域，实现了直接数字控制（DDC）和设定值控制（SPC）。
之后，以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计所组成的现代控制理论，开始应用于解决过程控制生产中的非线性，耦合性和时变性等问题，使得工业过程控制有了更好的理论基础。同时新型的分布式控制系统（DCS）集计算机技术、控制技术、通讯技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，使工业自动化进入控制管理一体化的新模式。现今工业自动化己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。
2．过程计算机控制系统
现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量﹑经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快﹑精度高﹑存储量大﹑编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器﹑单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器—过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。
在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算﹑逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。
过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象﹑检测与执行装置外）。
1．过程计算机系统的硬件部分：
（1）由中央处理器﹑时钟电路﹑内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集﹑数据处理﹑逻辑判断﹑控制量计算﹑越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。
（2）包括各种控制开关﹑数字键﹑功能键﹑指示灯﹑声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。
（3）通用外围设备包括打印机﹑记录仪﹑图形显示器﹑闪存等，它们用来显示﹑存储﹑打印﹑记录各种数据。
（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。
2．过程计算机系统的软件部分：
（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。
（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集﹑滤波程序﹑控制量计算程序﹑生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能﹑精度和效率。
参考文献
[1] 胡寿松主编.自动控制原理（第五版）.科学出版社.2007
[2] 张晓华主编.控制系统数字仿真与CAD.机械工业出版社.1999
[3] 于海生主编.计算机控制技术. 机械工业出版社.2007
[4] 刘文定，王东林主编.过程控制系统的MATLAB仿真. 机械工业出版社.2009
[5] 薛定宇主编.控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用.清华大学出版社.2006
[6] The Math Works.Icn 《MATLAB HELP》 2004
[7] ICP DAS 《User Manual》 2000
[8] 邵裕森，戴先中 《过程控制工程》 北京 机械工业出版社 2000
