雙容水箱液位串級控制系統設計

摘 要

  在工業實際生產中，液位是過程控制系統的重要被控量，在石油﹑化工﹑環保﹑水處理﹑冶金等行業尤為重要。在工業生產過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。因為單回路控制系統無法克服液位控制系統中的一些問題，例如：大時延、非線性、容量滯后等。因此本設計為了克服上述問題設計串級控制，應對單回路控制系統無法解決的問題，并且對比單回路控制系統與串級控制系統的差異。

這次畢業設計是設計雙容水箱液位串級控制系統。在設計中充分利用MATLAB/Simulink仿真技術，主調節器使用PID調節，副調節器使用P調節，以實現對水箱液位的串級控制。首先對被控對象的模型進行分析，并采用機理法求取模型的傳遞函數。其次，根據被控對象模型和被控過程特性設計串級控制系統，采用Simulink動態仿真技術對控制系統的性能進行分析。進行參數整定以及各個參數的控制性能的比較，對得到的仿真曲線進行分析，總結參數變化對系統性能的影響。

關鍵詞：液位控制,串級控制,PID控制,MATLAB/Simulink仿真

Abstract

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Keywords: Level, cascade control, PID control, MATLAB ,Simulink Simulation

目錄

第一章. 緒論1

1.1 問題的提出及研究意義1

1.2 控制系統研究的意義1

1.3 國內外研究現狀和發展趨勢2

1.4 本次設計的主要工作3

第二章. 被控對象模型的建立4

2.1 過程控制系統建模方法4

2.1.1.機理建模方法4

2.1.2.實驗法建模5

2.2 水箱模型分析5

2.2.1.單容水箱數學模型的建立5

2.2.2.雙容水箱數學模型的建立6

2.3 確定被控參數及控制變量7

第三章. 控制系統方案的設計9

3.1 液位PID控制系統的設計9

3.1.1.PID控制原理9

3.1.2.PID控制器參數整定的方法11

3.2 液位串級控制系統設計12

3.2.1被控參數的選擇13

3.2.2控制變量的選擇13

3.2.3主副回路設計13

3.2.4控制器的選擇14

3.2.5串級控制器參數整定方法14

第四章. 控制系統仿真16

4.1 MATLAB軟件介紹16

4.2 單回路控制系統仿真18

4.2.1.單回路無校正仿真18

4.2.2.單回路PID控制系統仿真19

4.2.3.單回路PID控制系統參數整定19

4.2.4.PID參數導致的性能變化21

4.3 串級控制系統的仿真24

4.4 含有噪聲的控制仿真26

4.4.1.有噪聲單回路PID控制仿真26

4.4.2.含有噪聲的串級控制仿真27

參考文獻29

致 謝30

畢業設計小結31