基于MATLAB水箱液位控制系统的设计(2)

太原理工大学现代科技学院过程控制系统课程设计报告

课程设计任务书

班 级 自动化0902 学生姓名 朱智慧 指导教师 设计（论文）题目 水箱液位控制系统设计 设计供水水箱的液位控制系统，要求在采用仪表控制的情况下，设计一个单回路控制系统，系统使用PID调节器。 各环节选主要 研究 内容 用适当的仪表和器件，设计控制系统的控制方式，确定控制器参数，并可以通过实验加以验证。分析不同控制方式的控制规律和在不同控制方式下系统的特点。系统在上下水流量发生变化时，能快速恢复到设定值。 本过程控制系统，检测信号、控制信号及被控信号均采用ICE标准，即电压1--5V，电流4--20mA，供电要求：三相380V交 主要技 术指标 或研究 目标 流电，24V直流电。 通过本课题的设计，培养学生对自动控制系统的综合运用，对自动化仪表的选型、参数设计和调试的能力，检验所学习专业知识的综合利用能力，为今后工作打好基础。 （1）设计水箱液位控制的系统方案。 （2）各环节仪表的选型。 （3）设计控制系统的控制方式和PID参数。 （4）分析不同控制规律和不同参数下系统的特点。 基本 要求 主要参 考资料 及文献 1． 《过程控制系统和应用》 李国勇主编 机械工业出版社 2． 《过程控制与自动化仪表》 侯志林主编 机械工业出版社 3． 《自动化仪表与过程控制》 施仁主编 电子工业出版社 - IV -

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第1章 绪论

1．1过程控制的定义

生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。

1．2过程控制的目的

生产过程中，对各个工艺过程的物理量（或称工艺变量）有着一定的控制要求。有些工艺变量直接表征生产过程，对产品的数量与质量起着决定性的作用。例如，精馏塔的塔顶或塔釜温度，一般在操作的压力不变的情况下必须保持一定，才能得到合格的产品；加热炉出口温度的波动不能超出允许范围，否则将影响后一段的效果；化学反应器的反应温度必须保持平稳，才能使效率达到指标。有些工艺变量虽不直接影响产品的质量和数量，然而保持其平稳却是使生产获得良好控制的前提。例如，用蒸汽加热反应器或在沸器，如果在蒸汽总压波动剧烈的情况下，要把反应温度或塔釜温度控制好将极为困难；中间储槽的液位高度与气柜压力，必须维持在允许的范围之内，才能使物料平衡，保持连续的均衡生产。有些工艺变量是决定安全生产的因素。例如，锅炉汽包的水位、受压容器的压力等，不允许超出规定的限定否则将威胁生产安全。还有一些工艺变量直接鉴定产品的质量。例如，某些混合气体环境的污染，因此，减小工业生产对环境的影响也已纳入过程控制的目标范围。

综上所述，过程控制的主要目标包括一下几个方面： ① 保障生产过程的安全和平稳； ② 达到预期的产量和质量；

③ 尽可能地减少原材料和能源损耗； ④ 把生产对环境的危害降低到最小程度。

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……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………由此可见，生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安去和提高劳动生产率的重要手段，使20世纪科学与进步的特征，市工业现代化的标志之一。

1．3过程控制的特点

生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的有关参数为一定值或按一定规律变化。显然，过程参数的变化，不但受外界条件的影响，它们之间往往也相互影响，这就增加了某些参数自动控制的复杂性和难度，过程控制有如下特点：

① 被控对象的多样性； ② 对象存在滞后； ③ 对象特性的非线性； ④ 控制系统比较复杂。

由于对象的特性不同，其输入与输出可能不止一个，控制系统的设计在于适应这些不同的特点，以确定控制方案和控制其的设计或选型，以及控制器特性参数的计算与设定。这些都要以对象的特性为依据，而对象的特性复杂且难以认识，所以要完全通过理论计算进行系统设计与整定至今仍不可能。目前已设计出的各种各样的控制系统（如简单的位式控制系统、单回路及多回路控制系统，以及前馈控制、计算机控制系统等），都是通过必要的理论计算，采用现场的方法达到过程控制的目的。

1．4过程控制的发展与趋势

20世纪40年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社会的各个反面有着深远的影响。与其他任何学科一样，控制理论源于社会实践和科学实践。自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。

至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论成为第一代控制理论，第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。到第二次时间大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist(1932)和Bode（1945）频率法分析技术及稳定判据、Evens

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……………………………………装………………………………………订…………………………………………线………………………………………根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟的阶段，这是第二代控制理论。从20世纪50年代开始，随着工业的发展、控制需求的提高，除了简单控制系统以外，各种复杂控制系统也发展起来了，而且取得了显著的功效。20世纪60年代，现代控制理论迅猛发展，它以状态空间方法为基础、以极小值原理和动态规划等最优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统（LOG）设计宣告了时域方法的完成，这是第三代控制理论。从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。过程控制是随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段：基地式控制阶段（初级阶段）、单元组合仪表自动化阶段、计算机控制的初级阶段、综合自动化阶段。

第1章 水箱液位控制系统的原理

2．1 人工控制与自动控制

下图为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量。手工控制的过程主要分为三步：

① 用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑； ② 大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后

根据操作经验发出控制命令；

③ 根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀（或进水阀）的开度，使水箱液位包

持在工艺要求的高度上。

在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手、三个器官，分别担负了检测、判断、和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持水箱液位的恒定。

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人工控制 自动控制

如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。在自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接蔡玉的自动控制系统。

2．2 水箱液位控制系统的原理框图 本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。

简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：

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