銅陵學院畢業論文（初稿）論文題目：基于MATLAB液位控制系統研究與設計畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。作者簽名： 日 期： 選題背景人們生活以及工業生產經常涉及到液位和流量的控制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應，溶液過濾，污水處理，化工生產等多種行業的生產加工過程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度，太滿容易溢出造成浪費，過少則無法滿足需求。因此，需要設計合適的控制器自動調整蓄液池的進出流量，使得蓄液池內液位保持正常水平，以保證產品的質量和生產效益。這些不同背景的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業控制過程中一個重要的參數。特別是在動態的狀態下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產效果。水箱液位控制系統的設計應用非常長廣泛，可以把一個復雜的液位控制系統簡化成一個水箱液位控制系統來實現，所以就選擇了該題目的設計。由于液位檢測應用領域的不同，性能指標和技術要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發展趨勢，隨著電子技術及計算機技術的發展，液位檢測的自動控制成為其今后的發展趨勢，控制過程的自動化處理以及監控軟件良好的人機界面，操作人員在監控計算機上能根據控制效果及時修運行參數，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應用。畢業論文進度安排：2012年9月20日選論文題目基于MTLAB液位控制系統研究與設計2012年12月25日寫出畢業論文的提綱2013年3月5日完成論文的初稿2013年5月5日完成畢業論文指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日畢業論文（設計）寫作提綱一、論文題目基于MTLAB液位控制系統研究與設計二、論題觀點來源：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。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數量，以便調節容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環節的物料搭配得當。三、基本觀點：液位串級控制系統的設計控制系統及工程實現的工作。雖然是采用傳統的串級PID控制的方法，但是將利用數據采集模塊和計算機控制來實現控制系統的組建，努力使系統具有良好的靜態性能，改善系統的動態性能。 四、論文結構： 一概述1.1液位串級控制系統介紹 1.2 MATLAB軟件介紹二被控對象建模2.1水箱模型分析2.2階躍響應曲線法建立模型三系統控制方案設計與仿真3.1 PID控制原理3.2系統控制方案設計3.3控制系統仿真 四結論五參考文獻畢業論文（設計）工作中期檢查表系別： 班級： 學生姓名學號指導教師 職稱論文（設計）題目基于MTLAB液位控制系統研究與設計選題是否有變化否如有，請填寫原因是否一人一題否是否進行了選題背景、及寫作提綱是是否進行了文獻調研是本論文擬解決的關鍵問題選擇參數這個是個讓我頭疼的問題。因為之前學的自控原理似乎完全是在學數學而已。對參數的理解這是它如何滿足我們“穩、快、準”這個三個要求而已，而完全不了解它的實際工程中的意義。所以在仿真的時候我也是用試的方法來確定參數。教師填寫部分論文（設計）進度情況： 提前完成 正常進行 延期滯后（請寫出原因）工作態度情況（學生對畢業論文（設計）的認真程度、完成指導教師布置任務情況）： 認真 較認真 一般 不認真中期質量評價（學生已完成部分的工作質量情況）： 好 中 差存在的問題與建議： 指導教師（簽名）： 年 月 日 系畢業論文（設計）工作領導小組意見（如被查學生為差的，請系畢業論文設計領導小組寫出處理意見）： 領導小組組長（簽名）： 年 月 日基于MTLAB液位控制系統研究與設計摘 要： 本論文的目的是設計雙容水箱液位串級控制系統。在設計中充分利用自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術和自動控制技術，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，并采用實驗建模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，采用動態仿真技術對控制系統的性能進行分析。然后，設計并組建儀表過程控制系統，通過智能調節儀表實現對液位的串級PID控制。最后，借助數據采集模塊設計并組建遠程計算機過程控制系統，完成控制系統實驗和結果分析。關鍵詞： 液位 模型 PID控制 計算機過程控制系統 一概述1.1液位串級控制系統介紹液位串級控制系統圖 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。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料半成品或成品的數量，以便調節容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環節的物料搭配得當。通過控制計算機可以不斷監控生產的運行過程，即時地監視或控制容器液位，保證產品的質量和數量。如果控制系統設計欠妥，會造成生產中對液位控制的不合理，導致原料的浪費產品的不合格，甚至造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統在工業生產中有著重要的實際意義。 在液位串級控制系統的設計中展開設計控制系統及工程實現的工作。雖然是采用傳統的串級PID控制的方法，但是將利用數據采集模塊和計算機控制來實現控制系統的組建，努力使系統具有良好的靜態性能，改善系統的動態性能。 在設計控制系統的過程中，將利用到MATLAB軟件，以下將對它們的主要內容進行說明。1.2 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發的，是目前國際上最流行、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數學運算、信號分析、計算機技術、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業、生物醫學工程和航天工業等各行各業，也是國內外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。MATLAB最早發行于1984年，經過10余年的不斷改進，現今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常數學處理中的各種功能，包括高效的數值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環境下，用戶可以集成地進行程序設計、數值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。 MATLAB提供了一個人機交互的數學系統環境，該系統的基本數據結構是復數矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數說明，使得工程應用變得更加快捷和便利。MATLAB系統由五個主要部分組成：(1)MATALB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣數組語言具有條件控制、函數調用、數據結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。利用它既可以進行小規模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規模編程，開發復雜的應用程序。 (2)MATLAB工作環境 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輸入輸出的方式和方法，以及開發、調試、管理M文件的各種工具。 (3)圖形圖像系統 這是MATLAB圖形系統的基礎，包括完成2D和3D數據圖示、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GUI應用程序的各種工具。 (4)MATLAB數學函數庫 這是對MATLAB使用的各種數學算法的總稱包括各種初等函數的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數學算法。 (5)MATLAB應用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數庫，使得用戶能夠在MATLAB環境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調用于程序(動態鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 MATLAB還具有根強的功能擴展能力，與它的主系統一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務。MATLAB具有豐富的可用于控制系統分析和設計的函數，MATLAB的控制系統工具箱(Control System Toolbox)提供對線性系統分析、設計和建模的各種算法；MATLAB的系統辨識工具箱（System Identification Toolbox）可以對控制對象的未知對象進行辨識和建模。MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的動態系統建模、仿真、分析集成環境。它用結構框圖代替程序智能化地建立和運行仿真，適應線性、非線性系統；連續、離散及混合系統；單任務，多任務離散事件系統。二被控對象建模在控制系統設計工作中，需要針對被控過程中的合適對象建立數學模型。被控對象的數學模型是設計過程控制系統、確定控制方案、分析質量指標、整定調節器參數等的重要依據。被控對象的數學模型（動態特性）是指過程在各輸入量（包括控制量和擾動量）作用下，其相應輸出量（被控量）變化函數關系的數學表達式。在液位串級控制系統中，我們所關心的是如何控制好水箱的液位。上水箱和下水箱是系統的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統的穩態性能、動態特性，為其他的設計工作提供依據。上水箱和下水箱為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：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，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Q112Q2Ah 圖2.1液位被控過程簡明原理圖系統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，通過改變閥1的開度改變Q1值，改變閥2的開度可以改變Q2值。液位h越高，水箱內的靜壓力增大,Q2也越大。液位h的變化反映了Q1和Q2不等而導致水箱蓄水或瀉水的過程。若Q1作為被控過程的輸入量，h為其輸出量，則該被控過程的數學模型就是h與Q1之間的數學表達式。 根據動態物料平衡， Q1-Q2=A(dh/dt) ；Q1-Q2=A(dh/dt) 在靜態時，Q1=Q2，dh/dt=0；當Q1發生變化后，液位h隨之變化，水箱出口處的靜壓也隨之變化，Q2也發生變化。由流體力學可知，液位h與流量之間為非線性關為了簡便起見，做線性化處理得 Q2=h/R2，經拉氏變換得單容液位過程的傳遞函數為W0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：Q1 Q2h:分別為偏離某一個平衡狀態Q10Q20h0的增量。R2:閥2的阻力 A:水箱截面積 T:液位過程的時間常數(T=R2C) K:液位過程的放大系數(K=R2) C:液位過程容量系數2.2階躍響應曲線法建立模型在本設計中將通過實驗建模的方法，分別測定被控對象上水箱和下水箱在輸入階躍信號后的液位響應曲線和相關參數。通過磁力驅動泵供水，手動控制電動調節閥的開度大小,改變上水箱/下水箱液位的給定量，從而對被控對象施加階躍輸入信號，記錄階躍響應曲線。 在測定模型參數中可以通過以下兩種方法控制調節閥，對被控對象施加階躍信號：(1) 通過智能調節儀表改變調節閥開度，增減水箱的流入水量大小，從而改變水箱液位實現對被控對象的階躍信號輸入。(2) 通過在MCGS監控軟件組建人機對話窗口，改變調節閥開度,控制水箱進水量的大小，從而改變水箱液位，實現對被控對象的階躍信號輸入。控制進水量供水施加階躍輸入信號階躍響應輸出電動磁力泵電動調節閥上水箱/下水箱 圖2.2 水箱模型測定原理圖 1上水箱階躍響應參數測定：按圖連接實驗線路,手動操作調節器,控制調節閥開度,使初始開度OP1=50,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調節閥開度至OP2=60,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態。經過一定調節時間后,水箱液位重新進入平衡狀態。 圖2.3上水箱階躍響應曲線記錄階躍響應參數(間隔30s采集數據):123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.892146.52438.691047.061647.282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.461847.152445.90表2.1上水箱階躍響應數據2下水箱階躍響應參數測定：按圖連接實驗線路,手動操作調節器,控制調節閥開度,使初始開度OP1=40,等到水箱的液位處于平衡位置時。改變調節閥開度至OP2=50,即對上水箱輸入階躍信號,使其液位離開原平衡狀態。經過一定調節時間后,水箱液位重新進入平衡狀態。 圖2.4下水箱階躍響應曲線記錄階躍響應參數(間隔30s采集數據): 154.021384.612598.4537103.9349107.20257.191486.342699.1938104.3950107.28360.281587.712799.8339104.8451107.32463.531689.1828100.4340105.0652107.38566.561790.4429101.0141105.5353107.56669.521891.7630101.4242105.8054107.66772.261993.0431101.8143106.0855107.82874.792094.1132102.2644106.3356107.67977.002195.1833102.7945106.4157107.551079.072296.0434103.1946106.6158107.391180.872396.9635103.3647106.6559107.251282.882497.4936103.6548106.9460107.10表2.2下水箱階躍響應數據由于實驗測定數據可能存在誤差，直接使用計算法求解水箱模型會使誤差增大。所以使用MATLAB軟件對實驗數據進行處理，根據最小二乘法原理和實驗數據對響應曲線進行最佳擬合后，再計算水箱模型。兩組實驗數據中將階躍響應初始點的值作為Y軸坐標零點，后面的數據依次減去初始值處理，作為Y軸上的各階躍響應數據點；將對應Y軸上階躍響應數據點的采集時間作為曲線上各X點的值。3求取上水箱模型傳遞函數在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令： x=0:30:420； y=0 6.88 11.63 15.07 17.7 19.69 21.15 21.94 22.55 23.44 23.63 23.84 24.14 24.25 24.27 ； p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:420； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。 在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.5上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數據點。數據點與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項式近似擬合上水箱的響應曲線，得到多項式的表達式：P(t)-1.8753e(-009)t4+2.2734e(-006)t3-0.0010761t2+0.24707t+0.13991。根據曲線采用切線作圖法計算上水箱特性參數，當階躍響應曲線在輸入量x(t)產生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩態值，該響應曲線可用一階慣性環節近似描述，需確定K和T。而斜率K為P(t)在t=0的導數P(0)= 0.24707,以此做切線交穩態值于A點,A點映射在t軸上的B點的值為T。圖2.6上水箱模型計算曲線階躍響應擾動值為10,靜態放大系數為階躍響應曲線的穩態值與階躍擾動值之比，所以上水箱傳遞函數為 4.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口輸入曲線擬合指令：x=0: 30:1650；y=0 3.17 6.26 9.51 12.54 15.5 18.4 20.77 22.98 25.05 26.85 28.86 30.59 32.32 33.69 35.16 36.42 37.74 39.02 40.09 41.16 42.02 42.94 43.47 44.43 45.17 45.81 46.4146.99 47.4 47.79 48.24 48.77 49.17 49.34 49.65 49.91 50.37 50.82 51.04 51.51 51.78 52.06 52.31 52.39 52.59 52.63 52.92 53.18 53.26 53.3 53.36 53.54 53.64 53.8 53.8；p=polyfit(x,y,4)； xi=0:3:1650； yi=polyval(p,xi)； plot(x,y,b:oxi,yi,r)。在MATLAB中繪出曲線如下：圖2.7下水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，圓點為原數據點。數據點與曲線基本擬合。如圖所示，利用四階多項式近似擬合下水箱的響應曲線，得到多項式的表達式P(t)= -1.1061e(-011)t4+5.7384(e-008)t3 -0.00011849t2 +0.12175t-0.31385.根據曲線采用切線作圖法計算下水箱特性參數，當階躍響應曲線在輸入量x(t)產生階躍的瞬間，即t=0時，其曲線斜率為最大，然后逐漸上升到穩態值，該響應曲線可用一階慣性環節近似描述，需確定K和T.而斜率K為P(t)在t=0的導數P(0)=0.12175,以此做切線交穩態值于A點,A點映射在t軸上的B點的值為T。圖2.8下水箱模型計算曲線階躍響應擾動值為10,靜態放大系數為階躍響應曲線的穩態值與階躍擾動值之比，所以下水箱傳遞函數為。在實驗建模的過程中，實驗測取的被控對象為廣義的被控對象，其動態特性包括了調節閥和測量變送器，即廣義被控對象的傳遞函數為，為調節閥的傳遞函數，Gm(s)為測量變送器的傳遞函數。三系統控制方案設計與仿真控制方案設計是過程控制系統設計的核心，需要以被控過程模型和系統性能要求為依據，合理選擇系統性能指標，合理選擇被控參數，合理設計控制規律，選擇檢測、變送器和選擇執行器。選擇正確的設計方案才能使先進的過程儀表和計算機系統在工業生產過程中發揮良好的作用。3.1 PID控制原理目前，隨著控制理論的發展和計算機技術的廣泛應用，PID控制技術日趨成熟。先進的PID控制方案和智能PID控制器（儀表）已經很多，并且在工程實際中得到了廣泛的應用?，F在有利用PID控制實現的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現PID控制的計算機系統等。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例積分微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。y(t)+r(t) 比例P積分I微分D被控對象圖3.1 PID控制基本原理圖PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據給定值r(t)與實際值y(t)構成控制偏差：。PID控制規律為：或以傳遞函數形式表示：式中，KP:比例系數 TI:積分時間常數 TD:微分時間常數 PID控制器各控制規律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，能較快克服擾動，使系統穩定下來。但當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱此控制系統是有差系統。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統的穩定程度，出現發散的振蕩過程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性環節或有滯后環節，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。所以在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。特別對于有較大慣性或滯后環節的被控對象，比例積分控制能改善系統在調節過程中的動態特性。PID控制器的參數整定是控制系統設計的重要內容，應根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法分為兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。由于實驗測定的過程數學模型只能近似反映過程動態特，理論計算的參數整定值可靠性不高，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統試驗中進行控制器參數整定，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減曲線法。三種方法都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。1.臨界比例法。在閉合控制系統中，把調節器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數值，把系統投入閉環運行，將調節器的比例度由大到小逐漸減小，得到臨界振蕩過程，記錄下此時的臨界比例度k和臨界振蕩周期Tk。根據以下經驗公式計算調節器參數： 調節器參數控制規律TITDP2k PI2.2kTK/1.2 PID1.6k0.5Tk0.25Tk表3.1臨界振蕩整定計算公式2.阻尼振蕩法。在閉合控制系統中，把調節器的積分時間TI置于最大，微分時間TD置零，比例度置于較大數值反復做給定值擾動實驗，并逐漸減少比例度，直至記錄曲線出現4：1的衰減為止。記錄下此時的4：1衰減比例度k和衰減周期Tk。根據以下經驗公式計算調節器參數： 調節器參數控制規律TITDPS PI1.2S0.5TS PID0.8S0.3TS0.1TS表3.2阻尼振蕩整定計算公式3.反應曲線法若被控對象為一階慣性環節或具有很小的純滯后，則可根據系統開環廣義過程測量變送器階躍響應特性進行近似計算。在調節閥的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送器的輸出響應曲線，并根據該曲線求出代表廣義過程的動態特性參數。3.2系統控制方案設計1控制系統性能指標(1) 靜態偏差：系統過渡過程終了時的給定值與被控參數穩態值之差。(2) 衰減率：閉環控制系統被施加輸入信號后，輸出響應中振蕩過程的衰減指標，即振蕩經過一個周期以后，波動幅度衰減的百分數。為了保證系統足夠的穩定程度，一般衰減率在0.75-0.9。(3) 超調量：輸出響應中過渡過程開始后，被控參數第一個波峰值與穩態值之差，占穩態值的百分比，用于衡量控制系統動態過程的準確性。(4) 調節時間：從過渡過程開始到被控參數進入穩態值-5%+5%范圍所需的時間2方案設計設計建立的串級控制系統由主副兩個控制回路組成，每一個回路又有自己的調節器和控制對象。主回路中的調節器稱主調節器，控制主對象。副回路中的調節器稱副調節器，控制副對象。主調節器有自己獨立的設定值R，他的輸出m1作為副調節器的給定值，副調節器的輸出m2控制執行器，以改變主參數c2.通過針對雙容水箱液位被控過程設計串級控制系統，將努力使系統的輸出響應在穩態時系統的被控制量等于給定值，實現無差調節，并且使系統具有良好的動態性能，較塊的響應速度。當有擾動f1(t)作用于副對象時，副調節器能在擾動影響主控參數之前動作，及時克服進入副回路的各種二次擾動，當擾動f2(t)作用于主對象時，由于副回路的存在也應使系統的響應加快，使主回路控制作用加強。m2m1e1c1擾動f1(t)e2設定值Rc2擾動f2(t)主調節器副調節器執行器副對象主對象測量與 變送器2測量與 變送器1圖3.2串級控制系統框圖(1) 被控參數的選擇應選擇被控過程中能直接反映生產過程能夠中的產品產量和質量，又易于測量的參數。在雙容水箱控制系統中選擇下水箱的液位為系統被控參數，因為下水箱的液位是整個控制作用的關鍵，要求液位維持在某給定值上下。如果其調節欠妥當，會造成整個系統控制設計的失敗,且現在對于液位的測量有成熟的技術和設備，包括直讀式液位計、浮力式液位計、靜壓式液位計、電磁式液位計、超聲波式液位計等。(2) 控制參數的選擇從雙容水箱系統來看，影響液位有兩個量，一是通過上水箱流入系統的流量，二是經下水箱流出系統的流量。調節這兩個流量都可以改變液位的高低。但當電動調節閥突然斷電關斷時，后一種控制方式會造成長流水，導致水箱中水過多溢出，造成浪費或事故。所以選擇流入系統的流量作為控制參數更合理一些。(3) 主副回路設計為了實現液位串級控制，使用雙閉環結構。副回路應對于包含在其內的二次擾動以及非線性參數、較大負荷變化有很強的抑制能力與一定的自適應能力。主副回路時間常數之比應在3到10之間，以使副回路既能反應靈敏，又能顯著改善過程特性。下水箱容量滯后與上水箱相比較大，而且控制下水箱液位是系統設計的核心問題，所以選擇主對象為下水箱，副對象為上水箱，。 (4) 控制器的選擇根據雙容水箱液位系統的過程特性和數學模型選擇控制器的控制規律。為了實現液位串級控制，使用雙閉環結構，主調節器選擇比例積分微分控制規律(PID)，對下水箱液位進行調節，副調節器選擇比例控制率(P)，對上水箱液位進行調節，并輔助主調節器對于系統進行控制，整個回路構成雙環負反饋系統。3.2 控制系統仿真通過MATLAB中的SIMULINK工具箱可以動態的模擬所的構造系統的響應曲線，以控制框圖代替了程序的編寫，只需要選擇合適仿真設備，添加傳遞函數，設置仿真參數。下面根據前文的水箱模型傳遞函數對串級控制系統進行仿真，以模擬實際中的階躍響應曲線，考察串級系統的設計方案是否合理。1. 階躍響應性能圖3.3 SIMULINK仿真框圖通過手動切換開關（Manual Switch）可以實現副回路的引入與切除，以了解副回路對控制性能的影響,比較串級控制和非串級控制對雙容水箱液位的控制能力。在時間為0時對系統加入大小為30的階躍信號，設置主控制器PID參數KP=60 TI=50 TD=3 ;副控制器P參數為KP=50，在初始點加40點階躍輸入量觀察階躍響應曲線。3.4 MATLAB加入副回路仿真曲線圖圖3.5 MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.4為加入副回路時的仿真曲線：圖3.5為切除副回路時的仿真曲線.由3.4和3.5兩圖對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統后動態特性比不加入副回路的控制系統有了很大的改善，提高了系統的工作頻率，對被控對象的調節能力更強。 2抗擾動能力維持初始階躍信號不變，并在副回路中加入擾動信號，觀察響應曲線. 在400s經過慣性環節向副回路加入階躍值為70的擾動信號。控制器參數不變。圖3.6 SIMULINK仿真框圖圖3.7 MATLAB加入副回路仿真曲線圖3.8 MATLAB不加入副回路仿真曲線圖3.7為加入副回路時的仿真曲線：圖3.8為切除副回路時的仿真曲線.由圖3.7和圖3.8對比可見，引入副回路組成雙容水箱液位串級控制系統后能夠很好的克服進入副回路的擾動,及時消除擾動對主參數的影響.在克服二次擾動方面串級控制比不加副回路的非串級控制好。綜上所述,選擇串級PID控制的設計方案完成對水箱液位的控制調節應當是可行的.而且在改善系統的動態特性、抗擾動能力等方面與非串級控制系統是較為有效的。但是仿真曲線只是在計算機上通過對實際系統仿真得到的較理想的模擬曲線.實際系統設計現場必須綜合考慮各方面的因素,不可能得到與計算機仿真一致的理想曲線和控制性能。四結論通過本次畢業設計，我將書本上學過的知識（自動控制原理、過程控制原理、微機控制技術等）應用于實際控制系統的組建之中，在實驗室中完成了儀表過程控制系統和計算機過程控制系統的組建,實現了對雙容水箱液位的串級控制。在實際的工程實踐中，我受益非淺，學習到了許多新的知識，掌握了實際操作的技能，特別是能夠將書中的知識與實際設計聯系起來，使對自動控制的理解上升到一個新的臺階。在設計中使用了MATLAB軟件，利用這個軟件可以對控制系統進行分析和建模。特別是利用SIMULINK工具箱可以便捷地對不同的控制系統進行仿真，通過對PID控制的仿真，可以清楚的比較不同控制方案的優劣，對在設計控制系統可能出現的問題在計算機中進行模擬，使對系統的設計方案更加明確。在實際控制系統的組建中，控制方案的設計是系統設計的核心，一個好的設計方案能夠使系統的設計事半功倍，應當根據被控過程的特性和工程要求綜合設計系統。對于設計的兩種控制系統，可以做進一步的改進。在設計方案方面，由于是通過控制電動調節閥的開度以改變水箱液位，可以增加輸入的水流量作為控制對象，使得對調節閥的控制更加直接。同時上下水箱間的輸水閥和下水箱與總出水箱輸水閥的開度大小也會對液位的控制造成影響，應當考慮如何對他們進行控制。在硬件設備方面，可以使用采集速度更快的儀表，加強控制器的調節能力，改善電動調節閥的工作性能。在條件允許的情況下，采用更高精度的采集模塊。在控制器方面，可以對控制方法進行改善，雖然電動調節閥的控制信號是位置信號，但調節閥動作仍是通過控制電機改變閥位，可考慮能否采用增量算法直接控制電機，克服位置算法中因需要累加偏差而造成執行機構動作過大的缺點。在實際的工作崗位上，將要設計不同的控制系統，工業現場的過程控制系統不同于實驗室中的控制系統的設計，更不同于書本中的理論和公式，要根據工業生產的實際情況進行設計，將面臨遠比實驗室復雜的多的現場環境，設計系統未