雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、控制系統(tǒng)仿真課程大作業(yè)題目：雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計院系名稱：電氣工程學院專業(yè)班級：學生姓名：學號：評語：成績：任課教師：時間：摘要本論文的目的是設(shè)計雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)。在設(shè)計中充分利用自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設(shè)計串級控制系統(tǒng)，采用MATLAB仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)的性能進行分析。然后，設(shè)計并組建儀表過程控制系統(tǒng)，通過智能調(diào)節(jié)儀表實現(xiàn)對液位的串級PID控制。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)軟件和數(shù)字控制器，設(shè)計

2、并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：液位；模型；PID控制；MATLAB仿真；計算機過程控制系統(tǒng)16目錄摘要21概述41.1過程控制介紹41.2液位串級控制系統(tǒng)介紹41.3MATLAB軟件介紹41.4MCGS組態(tài)軟件介紹52被控對象建模52.1水箱模型分析52.2階躍響應曲線法建立模型63系統(tǒng)控制方案設(shè)計與仿真103.1PID控制原理103.2系統(tǒng)控制方案設(shè)計113.2控制系統(tǒng)仿真124建立儀表和計算機過程控制系統(tǒng)16結(jié)論17參考文獻18161概述1.1過程控制介紹過程計算機控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對象﹑檢測與執(zhí)行裝置外）。1．過程計

3、算機系統(tǒng)的硬件部分：（1）由中央處理器﹑時鐘電路﹑內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部分。（2）包括各種控制開關(guān)﹑數(shù)字鍵﹑功能鍵﹑指示燈﹑聲訊器和數(shù)字顯示器等的（3）通用外圍設(shè)備包括打印機﹑記錄儀﹑圖形顯示器﹑閃存等，它們用來顯示﹑存儲﹑打印﹑記錄各種數(shù)據(jù)。（4）I/O接口和I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁。2．過程計算機系統(tǒng)的軟件部分：（1）系統(tǒng)軟件由計算機及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機本身資源，方便用戶使用計算機。（2）應用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集﹑濾波程序﹑控制量計算程序﹑生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應用軟

4、件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。1.2液位串級控制系統(tǒng)介紹在液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計中采用傳統(tǒng)的串級PID控制的方法，利用智能調(diào)節(jié)儀表﹑數(shù)據(jù)采集模塊和計算機控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的組建，努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在設(shè)計控制系統(tǒng)的過程中，將利用到MATLAB軟件和MCGS組態(tài)軟件。以下將對它們的主要內(nèi)容進行說明。1.3MATLAB軟件介紹MATLAB系統(tǒng)由五個主要部分組成：16(1)MATALB語言體系：MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計和

5、算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。(2)MATLAB工作環(huán)境：這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。(3)圖形圖像系統(tǒng)：這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。(4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫：這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等

6、高層次數(shù)學算法。(5)MATLAB應用程序接口(API)：這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。1.4MCGS組態(tài)軟件介紹MCGS組態(tài)軟件由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個部分組成。利用MCGS軟件組建工程的過程簡介：工程項目系統(tǒng)分析；工程立項搭建框架；設(shè)計菜單基本體系；制作動畫顯示畫面；編寫控制流程程序；完善菜單按鈕功能；編寫程序調(diào)試工程；連接設(shè)備驅(qū)動程序；工程完工綜合測試。2被控對象建模在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制

7、好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設(shè)計工作提供依據(jù)。上水箱和下水箱為THJ-2高級過程控制實驗裝置中上下兩個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。上水箱尺寸為：;下水箱尺寸為：，每個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析16Q112Q2Ah圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化過程各是一個具有自衡能力的單容過程。如圖，水箱的流入量為Q1，流出量為Q2，通