1、雙容液位控制系統設計目錄引言51系統總體設計81.1液位串級控制系統介紹81.2MATLAB軟件介紹92被控對象建模122.1水箱模型分析122.2階躍響應曲線法建立模型133系統控制方案設計與仿真223.1PID控制原理223.2 系統控制方案設計263.2.1.控制系統性能指標263.2.2.方案設計263.3控制系統仿真28結論33致謝35參考文獻36附錄138附錄239摘 要本系統控制箱內液體位置的方法是一種非常先進的算法。本系統可以用在一系列需要控制液體容量的各個行業，比如加工食品產業、過濾溶液產業、化學化工產業、飲料生產行業。本系統的液體儲存罐是雙容量形式的。在設計的過程中，將用到

2、儀器表盤的自動化式的技術、計算科學技術、電子通訊技術和自動化的控制技術等一系列先進技術相互結合，最終完成對量罐內溶液位置的控制。第一步就是剖析被控制物體的模型。通過對雙容罐液位控制系統的建模與分析，分析了受控對象的特點。PID控制模式用于構成液位控制系統，其中液位是次級調節參數，下級是主調節參數。有效克服了雙罐雙擾和容量滯后的問題。從而縮短了調節時間。第二，利用被操控物體的模型以及操控的步驟的特征，本文選擇了串級操控系統，而且使用的是非靜態的操控手段對系統的進行類別劃分。設計和構建儀器表盤操控系統和對具有人工智能技術的調節儀器的處理。最終設計出了操控液體位置的級聯儀器。關鍵詞：液位;PID控制

3、；模型；仿真Abstract The method of controlling the position of the liquid in the tank is a very advanced algorithm. This system can be used in a variety of industries that require the control of liquid volumes, such as processed foods, filtration solutions, chemical and chemical industries, and beverage p

4、roduction. The systems liquid storage tank is a dual capacity tank. In the process of designing, a series of advanced technologies such as automated technology, computational science and technology, electronic communication technology, and automated control technology of the instrument dial will be

5、used in combination to finally complete the control of the solution position in the measuring tank. The first step is to dissect the model of the controlled object. Through the modeling and analysis of the dual tank level control system, the characteristics of the controlled object are analyzed. The

6、 PID control mode is used to construct a liquid level control system in which the liquid level is a secondary adjustment parameter and the lower level is a main adjustment parameter. Effectively overcome the double tank double disturbance and capacity lag problem. This shortens the adjustment time.

7、Second, using the model of the controlled object and the characteristics of the steps of the control, this article selects the cascade control system and uses non-static control means to classify the system. Design and construction of instrument dial manipulation systems and processing of regulating

8、 instruments with artificial intelligence technology. Finally, a cascaded instrument that controls the position of the liquid was designed.Keywords:level;PIDcontrol;Model;Simulation引言隨著科學技術發展速度的加快，現代共軛域生產過程中控制性問題日漸復雜，在人們的生活和某些化學和能源生產過程中，經常遇到水平或流量控制問題。在石油，化工，輕工，食品等工業生產過程中，以各種罐體為原料，半成品液體儲罐為主要產品。來自先前工藝

9、的成品或半成品繼續流入下一個工藝罐進行加工和處理。為了確保生產過程可以連續進行，必須控制罐的液位。例如，居民的家庭供水通常需要使用水庫. 也有一些水處理過程，也需要控制水庫的水位。例如，在核電蒸汽發生器和乙烯工程廢水處理廠的自動污水處理廠運行期間，需要設計一個合適的控制器來自動調節容器入口和出口的流量，以便容器中的液位可以保持在正常水平。特別是，在入口液體和出口液體的流量較大的情況下，為了抑制液面的變化，在實際生產中經常使用多個互連的液體儲存容器。坦克是一個典型的非線性，時間延遲的物體。它非常具有代表性，并且具有強大的工業背景。同時，水箱數學模型的建立以及操控方案的研發對于生產中鍋爐的液體位置

10、的操控系統在生產過程中的鍋爐和液晶形式的液體位置操控系統的設計有巨大的影響。還有就是儲物罐中的操控是研發其他難度更大的非線性的操控系統的理論基礎，具有奠基性的作用，而且該研究在實際的生產中運用非常的普及。另外，也是非常全面的，包括控制理論，智能控制等學科。上述不同背景的實際問題可以被抽象為某種儲罐液位控制問題。隨著工業生產的快速發展，自動化程度在人們日常生活生產過程中的地位不斷提高。只要是先進的易實現的算法，都能很大程度的促進工業生產。然而，當前的學術研究成果與實際的生產和應用技術水平相差甚遠，甚至長達幾十年。近年來，中國的一些控制區已經接近甚至超過了國際標準。原因有很多，實際操作跟不上理論研

11、究是一個很普遍的現象。早期的理論算法在實際操作的過程中會遇到各種各樣的問題，在很大程度上影響了它的應用前景。當下，在實驗室中復制實際工業過程沒有條件。使用具有典型物體獨特的性質的設施是將理論研究的成果投入到實際生產中的便捷方法。在流水線類型的工業化的生產中，一般有四種類型的控制：水平，壓力，流量，溫度和水平是工業化生產中的普遍用到的數據，還是能夠直接觀測到的。由液位過程組成的實驗系統可以靈活地執行過程配置并實施各種控制方案。它不僅能夠滿足實際的現場應用需求，而且為新理論的研究和示范提供了強大的平臺。液位控制裝置也是最常用的過程控制實驗裝置。例如，瑞典隆德大學的許多重要研究報告和模擬都來自這些設

12、備。因此，液體位置操作系統是用于研究過程化操控理論的基礎。本課題的目的就是將兩個存儲罐組成的液體位置測量操控系統的實驗為研究對象，介紹了其硬件配置，系統建模，并分析了有關聯的操控手段和相關研究方法，在類似的設計中，自動化式的設備、科學的計算手段和自動化的操控方法去完成罐級級聯控制。對相關的概念進行充分的掌握，學習串級操控的構造設計方法，主要控制參數，次級控制參數，主調節器，次級調節器，主回路和次級回路。掌握串級控制系統的特點，串級控制系統的設計思想，掌握串級控制的主要控制和次級控制回路的選擇。掌握串級控制系統調整方法的參數，熟悉PID參數對控制系統質量的影響，利用計算機調整PID參數，投入運行

13、自動控制。實驗主要是串級控制系統的參數。調整雙容量控制系統的實驗參數，確保調節過程穩定快速，以獲得合適的控制器參數。最后總結分析實驗結果，進而改進實驗中存在的問題。從實驗結果可以看出，實驗系統具有良好的穩態性能和動態性能。1系統總體設計1.1液位串級控制系統介紹在生產任務中，操作過程操控的目標就是儲存罐中存儲的液體的位置，該技術在石油化工、水位處理、制造冶金工業等領域應用很重要。在自動化的生產任務中，測量技術和液體位置操控技術都是需要重點關注的。對液體位置的測量和控制時，首先，調查清楚設備中的液體的類型，生成產品的數規模，來規劃儲存罐中所需液體的流量，達到輸入和輸出的一致。使各個生產流程都正常

14、運行。在計算科學技術的操控下，自動調整生產任務中所需的原材料，生成高質量的產品的最大規模的成品。設計不達標時操控系統會造成生產產品的不合格，浪費原材料，或者還會引起一系列生產安全事故。在液位串級控制系統的設計中，基于THJ-2先進工藝測試，操控系統的研發和整個系統的開展情況。控制方法是級聯PID模型，將自動化的操控設備、相關數據的搜集管理、以及科學計算的操控方法相互結合組裝為本系統。設計對象屬于雙容量水平控制系統。當上罐發生干擾時，干擾通過控制通道傳送到下罐，影響控制效果。在實際生產中，如果頻繁發生干擾，將無法獲得滿意的結果。因此，應盡快進行控制，對內圈引入負反饋，檢測上罐液位，并將液位信號發

15、送給次級控制器。直接作用于控制閥以獲得更好的控制。兩個控制器都有自己的輸入，但只有主控制器有它自己的設定值。只有子控制器的輸出信號被發送到受控對象。控制器的輸出用于更改另一個控制器的設置，以便將兩個連接的控制設備稱為級聯控制器。該模擬系統雙水位串級控制系統如圖1所示：圖1系統結構框圖1.2MATLAB軟件介紹2000年，美國的mathwork公司開發的MATLAB程序設計軟件是目前使用領域最全，在科學計算和工程設計各個方面最受流行的軟件。對信號進行分析時，圖形和圖像的處理方面，計算科學，語音開發設計，自動化操控，汽車制造產業，航空和航天研究，生物歐冠南側好難過和醫學工程等行業。目前很多大學和研

16、究機構在多項科學研究中都是最常用的軟件。該軟件的發布是在九十年代初期，隨后的十余年的不斷完善，7.0版本的軟件可以用在Win2000系統和XP系統的計算機中。最新的軟件可的功能更加的強大，擁有處理常用的數學功能，比如矩陣和高數計算，還能夠處理信號和顯示圖形。在軟件環境中，操作人員可以使用程序設計語言、進行數學運算、設計圖形、管理文件、基本的輸入、輸出等功能。該軟件的以增加了數學的形式實現人和計算機的交流。不需要明確的尺寸就可以使工程應用程序更快，更有利可圖。軟件有五個部分:（1）MATLAB語言系統是以矩陣的符號為編碼語言。它也可以用來開發大型程序和復雜的應用程序來完成小程序的基本任務，算法設

17、計和算法實驗。（2）MATLAB工作環境是以用戶的管理功能為基礎，有處理操控的容量中的變化量的輸入、輸出的設計手段，研發和管控m的各個組成部件。（3）生成圖形式該軟件的基本功能，具有自己的特有的語言指令、打造二維、三維圖形的相關內容相關內容、動態圖形的顯示等強大的功能。這些包括用于研發非高端的自有的程序指令的小部件，如常見的圖形、圖像、可視化的小程序等。（4）MATLAB自有的函數類型，該軟件在普通的數學計算中非常的流行，自帶的數學計算算法，如高數方程式計算、矩陣計算等。（5）MATLAB是MATLAB提供的一個函數。從自帶的命令中引用軟件的MAt文件的內容。MATLAB方便程序的擴充，并具有

18、可用各種工具箱配置的主機系統。為了完成特定的任務，在MATLAB中控制系統自帶的小工具箱，存儲著多種算法和設計功能。1.3Simulink介紹在二十世紀九十年代，MaWorks公司專門為該軟件開發了一個不同以往的小工具，用于輸入模型圖和設計仿真，取名SIMUL AB。該工具一經公布迅速在各個領域使用，仿真軟件已進入建模階段的配置階段。然而，由于其名稱類似于當時著名的軟件Simula，該軟件在1992更名為SIMUL墨水。SIMULINK的出現為控制系統的分析和設計帶來了好消息。顧名思義，軟件的名稱顯示了系統的兩個主要功能：Simu（仿真）和鏈接（連接），即軟件可以使用鼠標控制軟件設計時需要的模

19、型，再運用Simulink仿真一個需要的系統。SIMULINK是本軟件的一個擴充的小工具，主要適用于非靜態的模擬系統，與本軟件的程序語言不通之處是不再需要人工設計圖形，而是利用其中設計好的圖形模型，可以節約用戶的設計時間來構建系統模型。利用建立好的模型要求SIMULINK包含一些基本圖形模型，用戶輸入相應的需求和需要達到的輸出系統自動匹配和設計出相應的設計，用戶不在關心設計的過程。通過調用它們，有必要將它們連接在一起。系統模型（由mdI文件訪問）用于仿真和分析。2被控對象建模 受控對象的數學模型在構建的過程中，能夠起到過程控制方法和系統的作用，能為控制器參數調整提供有效的參考數據，也是開展質量

20、指標分析的過程中的重要依據。該數學模型指的是指包括受控變量和擾動量在內的各個輸入量的影響。顯示輸出功能（控制變量）功能的每個公式。在油位控制系統中，如何控制油箱是有意義的。水箱和下部水箱受到系統控制。THJ-2首先會進入過程控制實驗的相關設備。上下兩罐是具有串聯功能的圓柱罐，且上下兩罐的構造材料選用有機玻璃。上水箱的高度為20厘米，寬度為25厘米。下水箱的高度與上水箱一致，寬度比上水箱略長為35厘米。且水箱被分為工作、緩沖等槽。2.1水箱模型分析 圖2液位控制過程示意圖上水箱的水位和下水箱的水位改變的過程也就是單容量的過程，而本文的單容量是具有自動調節功能的。上圖2為液體控制過程的詳細示意圖。

21、由上圖通過計算可知，將水箱中的流入量設置為Q1，將水箱中的流出量設置為Q2。如果改變上圖中閥1的開度則能有效改變水箱中的流入量，如果改變上圖閥2的開度則能有效改變水箱中的流出量。文章把液位設置為H，如果H的值越大，則水箱中的壓力值越大，則水箱中的流出量越大。由此可知，液位的改變會對水箱中的流入量和流出量產生巨大的影響。此外，H的改變說明Q1和Q2暫時未達到蓄水或滴水的過程。如果Q是受控過程的輸入，H是輸出，那么受控過程的數學模型就是H和Q之間的數學表達式。文章依據動態物料平衡原理可得到下列計算公式：，且可得。當水箱保持靜態的狀態時，水箱中的流出量和流入量的數值相等，且滿足。如果此時流入量變化，

22、則液位的數值也會改變，且水箱1中的壓力會受到一定的影響，發生改變。此時水箱的流出量也會隨之變化。由流體力學的相關理論可知，液位與流量存在非線性關系。為了方便文章的研究，在本文中獎液位與流量做了線性處理，可得下列公式：。且通過拉普拉斯進行變換的單容液位的傳遞函數公式如下所示:注:從上述公式中可以看出， Q1、Q2、H 分別代表的是偏離某個平衡狀態Q10 Q20、h0的增量數值。公式中R2代表的是閥2的阻力數值，公式中的R2C代表的是水箱橫截面積水平時間，公式中的K代表的是放大系數，且此時，公式中的C代表的是液位過程容量系數。2.2階躍響應曲線法建立模型 文章在設計的過程中，依據實驗建模的方式來有

23、效的確定了步進信號輸入后受控對象水箱和下水箱的水位有關參數和相關曲線。通文章依據磁力驅動泵來對水箱供水，且人工改變電控閥的開度數值，進而實現對水箱內的給定水位的改變，從而向控制對象施加階躍輸入信號，在測量模型的相關參數中，可以利用下列多種不同的方式來有效的管控調節閥。也可以向受控對象添加階躍信號，其具體的操作方法如下所示：（1）可以利用智能調節閥來有效調整調節閥的開度數值，進而改變水箱的流入量，從而實現對水箱水位的控制，且可以向受控對象發送階躍信號。圖3水箱模型測定原理圖1.上水箱階躍響應參數測定:依據上圖的電路，可以人工控制調節器的開度數值，且。待水箱中的水位實現平衡狀態后，可以調整調節閥的

24、開度，且。此時可以在上層水箱中輸入階梯信號，確保液位的平衡。 圖4上水箱階躍響應曲線下表為作者通過實驗記錄的上水箱階躍響應數據的詳細狀況。作者在進行數據采集的過程中，每隔30秒進行一次采集。表1上水箱階躍響應數據123.62744.771347.761947.64230.50845.561447.872047.09335.25946.171547.89214709438.691047.061647282246.41541.321147.251747.012346.28643.311247.161847.152445.902.下水箱階躍響應參數測定: 依據上圖的電路，可以人工控制調節器的開度數值

25、，且。待水箱中的水位實現平衡狀態后，可以調整調節閥的開度，且。此時可以在上層水箱中輸入階梯信號，確保液位的平衡。圖5下水箱階躍響應曲線下表為作者通過實驗記錄的下水箱階躍響應數據的詳細狀況。作者在進行數據采集的過程中，每隔30秒進行一次采集。表2上水箱階躍響應數據由于在進行數據采集的過程中，可能會采集無效數據。因此，如果使用無效數據進行計算，可能會增加誤差。因此文章選擇Matlab工具來處理采集的新數據。先把數據整合到響應曲線后再計算儲罐模型。從上述實驗數據中可以發現，Y軸坐標的零點為階躍響應初始點的數值。且依據Y軸階躍響應數據點能有效計算出X軸相對應的點。3.求取上水箱模型傳遞函數文章利用Ma

26、tlab工具，在Matlab中輸入下列的擬合指令，如下所示：曲線圖形繪制在軟件中的顯示情況如下所示：圖6上水箱擬合曲線注：圖中曲線為擬合曲線，該點為原始數據點，數據點基本符合曲線。最終結合相應的四階多項式來進行計算，可以得出如下結果。另外可以結合相關的曲線并且計算得出上部罐體的特征參數。換句話說，當t = 0時，曲線的斜率最大，然后逐漸上升到穩態值。需確定 K和 T。斜率K是在t = 0時的P（t）的導數，P （0）= 0.24707。這使得點A處的切線穩態值。點A被映射到T軸上的點B處的點T圖7上水箱模型計算曲線階躍響應擾動值為10, 靜態放大因子為階躍響應曲線的穩態值y()與階躍擾動值XO

27、之比k0=yx0,所以上水箱傳遞的數為G1s=2.4599.16S+14.下水箱模型建立在MATLAB的命令窗口當中需要輸入以下的這些指令：結合這些指令之后可以得出如下的曲線：圖8下水箱擬合曲線注: 上圖所得出的曲線為擬合曲線，點的選擇是一個原始的數據點，它能夠符合曲線的基本特征。結合上圖，最終將下罐的相應曲線借助于四階多項式來進行計算之后，可以得出如下結果：結合到以上的曲線，在利用切線繪圖法就可以計算下部罐的特征參數。換句話說，當t = 0時，曲線的斜率最大，然后逐漸上升到穩態值。需確定K和T.斜率K是在t = 0時的P（t）的導數，P （0）= 0.12175，那么在這個狀態下，A就是一個

28、切線的穩定狀態，將A所對應到t軸上映射的點，那么在B處就為點T。圖9下水箱模型計算曲線那么在這個時候越階響應擾動值為10，通過對靜態因子進行放大之后，可以得出越階響應的曲線相應穩定值，階躍擾動值y與x0兩者之間的關系為：那么對應就可以得出相關的傳遞函數表達式：由于在具體實驗建模的進程當中被控對象往往是一個廣義上的受控對象，在對他的動態特點進行控制過程中，一般要對調節閥和變送器的測量進行控制。對于廣義受控對象而言，它的相關傳遞函數表達為：在這個公式當中， Gvs主要是指調節閥的相關傳遞函數，而Gms指的是測量變返器它相對應的傳遞函數。圖10 THJ-2高級過程控制實驗裝置圖3系統控制方案設計與仿

29、真在整個控制系統進行設計過程中，關鍵的地方是要進行控制計劃的設計。因此必須要對相關參數進行合理選擇，以及要保障相應的規律能夠進行合理的設計，而正確的方案選擇可以借助于相關的儀表和計算機系統完成，這樣能夠在整個設計過程當中發揮出良好作用。3.1PID控制原理截至目前為止，隨著控制理論以及計算機技術的不斷發展，PID控制技術方面發展也更加成熟，許多先進的控制方案已經被廣泛的應用在各個工程的實際應用過程，PLC以及PID可以實現良好的控制，包括對音樂、流量、溫度等進行全面的控制，同時他也是計算機系統當中的一個組成部分。目前在大量的工程實踐過程當中，都是應用的比例微分積分控制的方法，這也是在調節器控制

30、過程當中主要的控制原理，而且這一種控制器存在的時間已經接近70年。圖11 PID控制基本原理圖對于PID控制器而言，它是一個線性的負反饋控制器，能夠通過給定的值和實際值兩者之間的差,來構造成一個控制偏差:相關的控制規律主要表達為：除此以外，也可以通過傳遞函數來對此進行表示：在上述的公式當中，Kp主要代表的是比例系數，Ti代表積分時間常數，而Td代表的是微分時間常數，一般而言微分時間常數PID控制器進行控制的作用包括以下幾點：（1）比例控制（P）：當前最有效最簡單的控制方法是比例控制法，由于控制器的輸入信號和輸入信號之間的誤差呈現出正比關系，那么如果將該誤差進行克服的話，就能夠使得該系統趨于穩定

31、，但是如果采用比例控制方法的時候，可能會存在系統輸出的穩態誤差。（2）積分控制（I）：對于積分控制環節而言，控制器在輸入和輸出信號之間它的誤差的積分能夠呈現出正比的關系。在自動控制系統當中，如果穩定存在一定的誤差，那么這個系統就不夠優秀，為了消除穩態誤差帶來的影響，必須要將積分項引入到整個控制器當中。積分項誤差的累積主要還是看該積分的時間來決定的，即使誤差比較小，那么積分項也會由于時間的不斷增加而使得整個累積誤差段上升，但是如果過高的對集成速度進行提升的話，也能夠造成整個系統的穩定性不充足，最終導致系統存在一定的震蕩。比例積分控制器PI在整個系統當中的作用是為了幫助系統進入穩定狀態，同時消除穩

32、態誤差。（3）微分控制（D）：在對微分進行控制的過程當中，相應的控制器它的輸出和輸入輸出間的信號誤差的導數會呈現一個正比的關系，如果對整個誤差進行調整的過程當中，自動控制器可能會由于自身的震蕩最終失去他控制的穩定。主要原因是由于在部分慣性或者滯后環節當中，能夠對錯誤進行抑制，而且這個變化總是在錯誤變化之后發生的，想要對這種問題想要得到解決的話，就要通過增加抑制誤差的效果，也就是要當誤差接近零的時候，使得抑制誤差的影響也要接近為零。所以僅僅在控制器當中通過引入相關的比例還不夠完善，比例在其中主要作用是起到對誤差的放大作用，因此就有必要在其中補入微分項，這樣能夠對之后發生的誤差進行一個準確的預測，

33、那么就能夠使得誤差可以預先等于0或者為負，這樣能夠避免控制量失調的狀況發生。特別是對于部分慣性較大或者滯后較多的受控環節而言，比例積分能夠提高整個系統的動態控制能力，因此在整個系統設計過程當中，PID的參數是一個重要設計部分。PID控制器參數整定方法分為兩類：第一種方法被稱為理論計算整定法，這種方法能夠基于一定的數學模型，通過理論的計算之后獲取到相應的參數，由于在理論計算過程當中只能夠反映出整個過程他的一個動態特征，但是這樣的理論計算一般都不夠可靠，必須要在實際試驗之后進行相應的調整。第二是項目設置的方法，這種方法使用起來較為簡單，由于在PID控制器當中，相關的參數調整方法主要包括了臨界比例法

34、，響應曲線法等和衰減線這三種方法，而且這幾種方法都通過了長期的測試，能夠根據相關的工程經驗最終對控制器參數進行設定，但是不論使用哪種方法都要在實際應用過程中不斷的進行改良。1臨界比例法如果在一個封閉的控制系統情況之下，那么就可以將調節器的積分時間采用臨界比例法進行計算。封閉環境當中積分的時間TI把它設置為最大，那么微分時間TD將它置為零的時候，那么再將相應的比例度設置為一個較大的值，這樣系統的循環就會陷入一種不良狀態，從而使得系統必須要不停的調節調節器的相應比例，而且這一比例調節的過程是從大到小進行調節的。這樣能夠對臨界震蕩過程當中相應的臨界比率k進行記錄，相應的公式和調節器的參數如下。圖3

35、臨界振蕩設置計算公式2.阻尼振蕩法。如果把調節器在一個封閉式的控制系統當中它的相應積分時間TI放大到最大的話，那么相應的積分時間TD就能夠變為零，這樣就可以設在設置比率為最大值的時候，重復對該設定值進行多情況的實驗，并且逐漸對比率進行降低，直到最終在曲線當中出現4:1這樣一個信號為止。那么，記錄這時候它的衰減比例和衰減的周期，相應的參數調節以及公式如下所示：圖4 阻尼振蕩整定計算公式3.反應曲線法對于受控的對象而言，它在一階慣性連路當中具有較小的滯后性，因此可以，在系統開環廣義的過程當中，測量發送器的響應特性來進行進一步的計算。這就要求必須要在調節閥當中添加階躍信號，對整個輸入的變化量形成一個

36、響應曲線，并且從該曲線當中也能夠得到一個動態特征相關的參數。3.2 系統控制方案設計3.2.1.控制系統性能指標(1) 靜態偏差:在系統完成的轉換之后，相應的設定值和受控參數穩態值兩者之間的一個差異被稱為靜態偏差。(2) 衰減率:衰減率就是指在整個閉環控制系統當中，加入了相應的輸入信號之后，震蕩周期在一個固定的幅度內衰減的百分比，就是該信號的在輸出之后的衰減指數。衰減率一般為0.750.9時，才能保證系統的穩定性。(3) 超調量:在對整個輸出進行轉換的過程當中，受控參數以及它與穩態值之間的差值（其是穩態值的百分比），能夠用于提升對監測整個動態過程的控制精度。(4) 調節時間:從過渡到受控參數時

37、，輸入穩態值 - 5+ 5的時間。3.2.2.方案設計 設置一個級聯控制系統的過程當中，主要包括兩個方面的工作，第一次對于主要的部分進行控制，第二是輔助控制回路部分。在每一個控制回路當中，都設置了相應的調節器以及具體控制的對象。而在主回路當中調節器被命名為主調節器，而且他控制的對象也是一些關鍵對象。在二級回路當中調節器被命名為二級調節器，它能夠在控制過程中起到輔助作用，一般對于主調節器而言都有，設置相應的R點。其輸出ML用作次級調節器的參考。兩級調節器M2的輸出調節器改變主參數C2。通過設計雙容量液位的串級控制系統，那么也能夠使得這一系統得到較為穩定的輸出，同時在控制量方面能夠達到量化的控制等

38、級，并且調節也較為靈敏。系統動態性能，快速響應當子對象使用干擾f1（t）時，子調節器可以在干擾收集主控制參數之前運行。當擾動 f2（ t）作用于主要物體時，克服進入次級環路的各種次級擾動，由于該系統當中存在著二次回路，因此整個系統也具有較快的響應速度，并且也可以通過這種回路來加強對于整個主回路系統的控制。圖12 串級控制系統框圖(1) 被控參數的選擇由于在整個控制過程當中，相應參數的選擇能夠直接反映在最終產品輸出和產品的質量控制方面，并且也會使得整個過程較為便于測量。對于雙缸的水箱控制系統來講，由于水箱水位是整個控制的關鍵，因此必須要將水箱的水位作為整個系統當中控制的關鍵所在，對于液位的具體要

39、求具體是，一旦對液位調整失敗，那么整個系統控制就不夠，目前雖然已經有了較為成熟的液位測量相關的設備和技術，而這種測量的方法包括直讀式液位計，浮力液位計，靜壓液位計等多種方法。(2) 控制參數的選擇由于雙儲罐這樣一個儲水系統它具有兩個不同等級的液位。而在對液位的具體等級進行調試的過程中，主要通過兩個流程來具體的控制。一旦電動控制閥突然關閉的話，那么第二種控制方法可能會導致整個水流太長，最終出現水箱溢水的情況發生，這樣也容易造成一定的浪費，甚至會帶來部分的事故發生。所以必須要在整個系統當中將流量作為一種重要的控制參數來進行控制。(3) 主副回路設計借助于雙閉環的結構來讓液位進行串級的控制。二次回路

40、應具有較強的抑制能力和一定的自適應能力，包括二次干擾，非線性參數和大負載變化。一般針對于初級電路和次級電路而言，他們在時間的常數方面比值能夠達到3到10之間，因此就需要借助于次級電路對相應的工藝特性進行進一步的改進，對于下水箱的滯后量要大于上水箱的滯后量這一特點來說，必須要在整個設計過程中有效的控制好下水箱的水位。(4)控制器的選擇首先需要結合雙罐水位該系統的相關技術特征，并且借助于數學模擬來對整個控制器進行一個規律的控制，為了達到液位的級聯控制水準，因此必須要在，雙閉環的主調節器當中利用一種比例積分的微分控制法則來進行控制。調整水箱水位。并協助主要監管機構控制這一系統。3.3控制系統仿真在M

41、ATLAB中有一個功能能夠有效模擬出動態的響應曲線，那就是Simulink。該工具采用控制框圖來代替了原有的程序編程模式，只需要借助于相應的模擬設備通過函數之后就能設置一個仿真的參數，接下來就對本文所論述的相關傳遞函數對串級控制系統進行一個有效的仿真，這樣能夠在實踐的應用當中驗證這一方案是否合理。3.3.1階躍響應性能圖13 單回路Simulink仿真框圖如果當時間為零的話，那么可以在該系統當中添加大小值為30的一種步進信號，這樣控制器的相關PID參數就分別表示為。KP=9.35 TI=0.022 TD=11.25; ;階躍響應曲線通過在初始點添加40個階躍輸入來觀察。圖14 單回路MATLA

42、B仿真曲線圖圖15雙回路Simulink仿真框圖圖16 雙回路MATLAB仿真曲線圖圖14為單回路時的仿真曲線: 圖16為雙回路時的仿真曲線.比較14和16這兩個圖表，我們可以看到，與未加入二次回路的控制系統相比，引入次級回路形成雙容量級別的級聯控制系統，極大地改善了動態特性。使系統的工作頻率改變，被動對象的能力也進行調整。3.3.2抗擾動能力首先需要讓最初的階躍信號保持不變的狀態，并將干擾信號添加到次級環路以觀察響應曲線。最終使得整個控制器的相關參數能夠穩定。圖17單回路Simulink仿真框圖圖18單回路MATLAB仿真曲線圖19雙回Simulink仿真框圖圖20雙回路 MATLAB仿真曲

43、線圖18顯示了單回路的模擬曲線;圖20顯示了雙環回路的模擬曲線。從圖18和圖20可以看出，引入二次回路形成一個雙容量儲罐液位串控制系統可以很好地克服對二次回路的干擾。消除在時間上對主要參數影響的干擾。總而言之，通過PID來完成的程序是能夠對儲罐的也為進行有效控制，并且在實踐驗證之后這一方法也是有效的，能夠提升該系統的動態特點，并且也有利于防止其它干擾。但是對于仿真曲線而言，它只能通過計算機的計算才能獲取，但是一般在計算機實踐模擬過程當中，理想的曲線和控制性能很難應用到真實環境當中。結論本畢業設計的設計過程中，我不僅學到了相關的理論知識、而且還可以完成實驗的構建，從中還學到了計算科學等其他知識。

44、實現了雙容量罐中液位的級聯控制。在實際的工程實踐中，我受益匪淺，學到了很多新知識，掌握了實踐技能，尤其是，本書中與在實踐中得到檢驗，使理論知識的認知更加的深入。用MATLAB作為系統模擬的工具。特別是Simulink工具箱可以用來輕松模擬不同的控制系統。模擬計算機控制系統設計中可能出現的問題，并使系統設計更清晰。在實際的生產應用過程中，本系統的關鍵是方案的規劃。根據實際的生產任務的特征進行設計。對這兩個操控系統的研發需要加強完善。在規劃時，使用點位控制門閥的張開程度調整箱體內的水容量，如果同時控制液體的流入速度來調價水位則顯得更加的有效。另外，上水箱、下水箱以及出水箱總出水閥之間的出水閥門與水箱的出水口的開口程度都會關系到液體位置的操控，提高硬件的搜集數據的性能，可以提高閥門的控制性能。在經濟條件允許的范圍內，采購精密的儀器。在控制器側，盡管電控閥的控制信號是位