双容液位控制系统设计
专业：动化
班级：2014级1班
姓名：丁林
目录
引言 5
1系统总体设计 8
11液位串级控制系统介绍 8
12MATLAB软件介绍 9
2控象建模 12
21水箱模型分析 12
22阶跃响应曲线法建立模型 13
3系统控制方案设计仿真 22
31PID控制原理 22
32 系统控制方案设计 26
321控制系统性指标 26
322方案设计 26
33控制系统仿真 28
结 33
致谢 35
参考文献 36
附录1 38
附录2 39
摘
系统控制箱液体位置方法种非常先进算法系统系列需控制液体容量行业加工食品产业滤溶液产业化学化工产业饮料生产行业系统液体储存罐双容量形式设计程中仪器表盘动化式技术计算科学技术电子通讯技术动化控制技术等系列先进技术相互结合终完成量罐溶液位置控制第步剖析控制物体模型通双容罐液位控制系统建模分析分析受控象特点PID控制模式构成液位控制系统中液位次级调节参数级调节参数效克服双罐双扰容量滞问题缩短调节时间第二利操控物体模型操控步骤特征文选择串级操控系统非静态操控手段系统进行类划分设计构建仪器表盘操控系统具工智技术调节仪器处理终设计出操控液体位置级联仪器
关键词：液位PID控制模型仿真
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 production The system＇s 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 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 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 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 nonstatic control means to classify the system Design and construction of instrument dial manipulation systems and processing of regulating instruments with artificial intelligence technology Finally a cascaded instrument that controls the position of the liquid was designed
KeywordslevelPIDcontrolModelSimulation
引言
着科学技术发展速度加快现代轭域生产程中控制性问题日渐复杂生活某化学源生产程中常遇水流量控制问题石油化工轻工食品等工业生产程中种罐体原料半成品液体储罐产品先前工艺成品半成品继续流入工艺罐进行加工处理确保生产程连续进行必须控制罐液位例居民家庭供水通常需水库 水处理程需控制水库水位例核电蒸汽发生器乙烯工程废水处理厂动污水处理厂运行期间需设计合适控制器动调节容器入口出口流量便容器中液位保持正常水特入口液体出口液体流量较情况抑制液面变化实际生产中常互连液体储存容器坦克典型非线性时间延迟物体非常具代表性具强工业背景时水箱数学模型建立操控方案研发生产中锅炉液体位置操控系统生产程中锅炉液晶形式液体位置操控系统设计巨影响储物罐中操控研发难度更非线性操控系统理基础具奠基性作该研究实际生产中运非常普外非常全面包括控制理智控制等学科
述背景实际问题抽象某种储罐液位控制问题
着工业生产快速发展动化程度日常生活生产程中位断提高先进易实现算法程度促进工业生产然前学术研究成果实际生产应技术水相差甚远甚长达十年
年中国控制区已接甚超国际标准原实际操作理研究普遍现象早期理算法实际操作程中会遇种样问题程度影响应前景实验室中复制实际工业程没条件具典型物体独特性质设施理研究成果投入实际生产中便捷方法流水线类型工业化生产中般四种类型控制：水压力流量温度水工业化生产中普遍数够直接观测液位程组成实验系统灵活执行程配置实施种控制方案仅够满足实际现场应需求新理研究示范提供强台液位控制装置常程控制实验装置例瑞典隆德学许重研究报告模拟设备
液体位置操作系统研究程化操控理基础
课题目两存储罐组成液体位置测量操控系统实验研究象介绍硬件配置系统建模分析关联操控手段相关研究方法类似设计中动化式设备科学计算手段动化操控方法完成罐级级联控制
相关概念进行充分掌握学串级操控构造设计方法控制参数次级控制参数调节器次级调节器回路次级回路掌握串级控制系统特点串级控制系统设计思想掌握串级控制控制次级控制回路选择掌握串级控制系统调整方法参数熟悉PID参数控制系统质量影响利计算机调整PID参数投入运行动控制实验串级控制系统参数调整双容量控制系统实验参数确保调节程稳定快速获合适控制器参数
总结分析实验结果进改进实验中存问题实验结果出实验系统具良稳态性动态性
1系统总体设计
11液位串级控制系统介绍
生产务中操作程操控目标储存罐中存储液体位置该技术石油化工水位处理制造冶金工业等领域应重动化生产务中测量技术液体位置操控技术需重点关注液体位置测量控制时首先调查清楚设备中液体类型生成产品数规模规划储存罐中需液体流量达输入输出致生产流程正常运行计算科学技术操控动调整生产务中需原材料生成高质量产品规模成品设计达标时操控系统会造成生产产品合格浪费原材料者会引起系列生产安全事液位串级控制系统设计中基THJ2先进工艺测试操控系统研发整系统开展情况控制方法级联PID模型动化操控设备相关数搜集理科学计算操控方法相互结合组装系统
设计象属双容量水控制系统罐发生干扰时干扰通控制通道传送罐影响控制效果实际生产中果频繁发生干扰法获满意结果应快进行控制圈引入负反馈检测罐液位液位信号发送次级控制器直接作控制阀获更控制两控制器输入控制器设定值子控制器输出信号发送受控象控制器输出更改控制器设置便两连接控制设备称级联控制器该模拟系统双水位串级控制系统图1示：
图1系统结构框图
12MATLAB软件介绍
2000年美国mathwork公司开发MATLAB程序设计软件目前领域全科学计算工程设计方面受流行软件信号进行分析时图形图处理方面计算科学语音开发设计动化操控汽车制造产业航空航天研究生物欧冠南侧难医学工程等行业目前学研究机构项科学研究中常软件
该软件发布九十年代初期十余年断完善70版软件Win2000系统XP系统计算机中新软件功更加强拥处理常数学功矩阵高数计算够处理信号显示图形软件环境中操作员程序设计语言进行数学运算设计图形理文件基输入输出等功该软件增加数学形式实现计算机交流需明确尺寸工程应程序更快更利图
软件五部分
（1）MATLAB语言系统矩阵符号编码语言开发型程序复杂应程序完成程序基务算法设计算法实验
（2）MATLAB工作环境户理功基础处理操控容量中变化量输入输出设计手段研发控m组成部件
（3）生成图形式该软件基功具特语言指令造二维三维图形相关容相关容动态图形显示等强功包括研发非高端程序指令部件常见图形图视化程序等
（4）MATLAB函数类型该软件普通数学计算中非常流行带数学计算算法高数方程式计算矩阵计算等
（5）MATLABMATLAB提供函数带命令中引软件MAt文件容
MATLAB方便程序扩充具种工具箱配置机系统完成特定务MATLAB中控制系统带工具箱存储着种算法设计功
13Simulink介绍
二十世纪九十年代MaWorks公司专门该软件开发工具输入模型图设计仿真取名SIMUL AB该工具公布迅速领域仿真软件已进入建模阶段配置阶段然名称类似时著名软件Simula该软件1992更名SIMUL墨水SIMULINK出现控制系统分析设计带消息顾名思义软件名称显示系统两功：Simu（仿真）链接（连接）软件鼠标控制软件设计时需模型运Simulink仿真需系统
SIMULINK软件扩充工具适非静态模拟系统软件程序语言通处需工设计图形利中设计图形模型节约户设计时间构建系统模型
利建立模型求SIMULINK包含基图形模型户输入相应需求需达输出系统动匹配设计出相应设计户关心设计程通调必连接起系统模型（mdI文件访问）仿真分析
2控象建模
受控象数学模型构建程中够起程控制方法系统作控制器参数调整提供效参考数开展质量指标分析程中重该数学模型指指包括受控变量扰动量输入量影响显示输出功（控制变量）功公式油位控制系统中控制油箱意义水箱部水箱受系统控制THJ2首先会进入程控制实验相关设备两罐具串联功圆柱罐两罐构造材料选机玻璃水箱高度20厘米宽度25厘米水箱高度水箱致宽度水箱略长35厘米水箱分工作缓等槽
21水箱模型分析
图2液位控制程示意图
水箱水位水箱水位改变程单容量程文单容量具动调节功图2液体控制程详细示意图图通计算知水箱中流入量设置Q1水箱中流出量设置Q2果改变图中阀1开度效改变水箱中流入量果改变图阀2开度效改变水箱中流出量文章液位设置H果H值越水箱中压力值越水箱中流出量越知液位改变会水箱中流入量流出量产生巨影响外H改变说明Q1Q2暂时未达蓄水滴水程果Q受控程输入H输出受控程数学模型HQ间数学表达式
文章动态物料衡原理列计算公式：
水箱保持静态状态时水箱中流出量流入量数值相等满足果时流入量变化液位数值会改变水箱1中压力会受定影响发生改变时水箱流出量会变化流体力学相关理知液位流量存非线性关系方便文章研究文中奖液位流量做线性处理列公式：通拉普拉斯进行变换单容液位传递函数公式示
注述公式中出 ∆Q1∆Q2∆H 分代表偏离某衡状态Q10 Q20h0增量数值公式中R2代表阀2阻力数值公式中R2C代表水箱横截面积水时间公式中K代表放系数时公式中C代表液位程容量系数
22阶跃响应曲线法建立模型
文章设计程中实验建模方式效确定步进信号输入受控象水箱水箱水位关参数相关曲线
通文章磁力驱动泵水箱供水工改变电控阀开度数值进实现水箱定水位改变控制象施加阶跃输入信号
测量模型相关参数中利列种方式效控调节阀受控象添加阶跃信号具体操作方法示：
（1）利智调节阀效调整调节阀开度数值进改变水箱流入量实现水箱水位控制受控象发送阶跃信号
图3水箱模型测定原理图
1水箱阶跃响应参数测定
图电路工控制调节器开度数值水箱中水位实现衡状态调整调节阀开度时层水箱中输入阶梯信号确保液位衡
图4水箱阶跃响应曲线
表作者通实验记录水箱阶跃响应数详细状况作者进行数采集程中隔30秒进行次采集
表1水箱阶跃响应数
1
2362
7
4477
13
4776
19
4764
2
3050
8
4556
14
4787
20
4709
3
3525
9
4617
15
4789
21
47．09
4
3869
10
4706
16
47．28
22
4641
5
4132
11
4725
17
4701
23
4628
6
4331
12
4716
18
4715
24
4590
2水箱阶跃响应参数测定
图电路工控制调节器开度数值水箱中水位实现衡状态调整调节阀开度时层水箱中输入阶梯信号确保液位衡
图5水箱阶跃响应曲线
表作者通实验记录水箱阶跃响应数详细状况作者进行数采集程中隔30秒进行次采集
表2水箱阶跃响应数
进行数采集程中会采集效数果效数进行计算会增加误差文章选择Matlab工具处理采集新数先数整合响应曲线计算储罐模型述实验数中发现Y轴坐标零点阶跃响应初始点数值Y轴阶跃响应数点效计算出X轴相应点
3求取水箱模型传递函数
文章利Matlab工具Matlab中输入列拟合指令示：
曲线图形绘制软件中显示情况示：
图6水箱拟合曲线
注：图中曲线拟合曲线该点原始数点数点基符合曲线
终结合相应四阶项式进行计算出结果
外结合相关曲线计算出部罐体特征参数换句话说t 0时曲线斜率然逐渐升稳态值需确定 K T斜率Kt 0时P（t）导数P ^’（0） 024707
点A处切线稳态值点A映射T轴点B处点T
图7水箱模型计算曲线
阶跃响应扰动值10 静态放子阶跃响应曲线稳态值y(∞)阶跃扰动值XOk0y∞x0水箱传递数G1s2459916S+1
4水箱模型建立
MATLAB命令窗口中需输入指令：
结合指令出曲线：
图8水箱拟合曲线
注 图出曲线拟合曲线点选择原始数点够符合曲线基特征
结合图终罐相应曲线助四阶项式进行计算出结果：
结合曲线利切线绘图法计算部罐特征参数换句话说t 0时曲线斜率然逐渐升稳态值需确定KT斜率Kt 0时P（t）导数P ^’（0） 012175
状态A切线稳定状态A应t轴映射点B处点T
图9水箱模型计算曲线
时候越阶响应扰动值10通静态子进行放出越阶响应曲线相应稳定值阶跃扰动值y∞x0两者间关系：
应出相关传递函数表达式：
具体实验建模进程中控象广义受控象动态特点进行控制程中般调节阀变送器测量进行控制广义受控象言相关传递函数表达：
公式中 Gvs指调节阀相关传递函数Gms指测量变返器相应传递函数
图10 THJ2高级程控制实验装置图
3系统控制方案设计仿真
整控制系统进行设计程中关键方进行控制计划设计必须相关参数进行合理选择保障相应规律够进行合理设计正确方案选择助相关仪表计算机系统完成样够整设计程中发挥出良作
31PID控制原理
截目前止着控制理计算机技术断发展PID控制技术方面发展更加成熟许先进控制方案已广泛应工程实际应程PLCPID实现良控制包括音乐流量温度等进行全面控制时计算机系统中组成部分
目前量工程实践程中应例微分积分控制方法调节器控制程中控制原理种控制器存时间已接70年
图11 PID控制基原理图
PID控制器言线性负反馈控制器够通定值实际值两者间差构造成控制偏差
相关控制规律表达：
外通传递函数进行表示：
述公式中Kp代表例系数Ti代表积分时间常数Td代表微分时间常数般言微分时间常数PID控制器进行控制作包括点：
（1）例控制（P）：前效简单控制方法例控制法控制器输入信号输入信号间误差呈现出正关系果该误差进行克服话够该系统趋稳定果采例控制方法时候会存系统输出稳态误差
（2）积分控制（I）：积分控制环节言控制器输入输出信号间误差积分够呈现出正关系动控制系统中果稳定存定误差系统够优秀消稳态误差带影响必须积分项引入整控制器中积分项误差累积该积分时间决定误差较积分项会时间断增加整累积误差段升果高集成速度进行提升话够造成整系统稳定性充足终导致系统存定震荡例积分控制器PI整系统中作帮助系统进入稳定状态时消稳态误差
（3）微分控制（D）：微分进行控制程中相应控制器输出输入输出间信号误差导数会呈现正关系果整误差进行调整程中动控制器会身震荡终失控制稳定原部分惯性者滞环节中够错误进行抑制变化总错误变化发生想种问题想解决话通增加抑制误差效果误差接零时候抑制误差影响接零仅仅控制器中通引入相关例够完善例中作起误差放作必中补入微分项样够发生误差进行准确预测够误差预先等0者负样够避免控制量失调状况发生特部分惯性较者滞较受控环节言例积分够提高整系统动态控制力整系统设计程中PID参数重设计部分
PID控制器参数整定方法分两类：
第种方法称理计算整定法种方法够基定数学模型通理计算获取相应参数理计算程中够反映出整程动态特征样理计算般够必须实际试验进行相应调整
第二项目设置方法种方法起较简单PID控制器中相关参数调整方法包括界例法响应曲线法等衰减线三种方法种方法通长期测试够根相关工程验终控制器参数进行设定种方法实际应程中断进行改良
1界例法
果封闭控制系统情况调节器积分时间采界例法进行计算封闭环境中积分时间TI设置微分时间TD置零时候相应例度σ设置较值样系统循环会陷入种良状态系统必须停调节调节器相应例例调节程进行调节样够界震荡程中相应界率σk进行记录相应公式调节器参数
图3 界振荡设置计算公式
2阻尼振荡法
果调节器封闭式控制系统中相应积分时间TI放话相应积分时间TD够变零样设设置率值时候重复该设定值进行情况实验逐渐率进行降低直终曲线中出现41样信号止记录时候衰减例衰减周期相应参数调节公式示：
图4 阻尼振荡整定计算公式
3反应曲线法
受控象言阶惯性连路中具较滞性系统开环广义程中测量发送器响应特性进行进步计算求必须调节阀中添加阶跃信号整输入变化量形成响应曲线该曲线中够动态特征相关参数
32 系统控制方案设计
321控制系统性指标
(1) 静态偏差系统完成转换相应设定值受控参数稳态值两者间差异称静态偏差
(2) 衰减率衰减率指整闭环控制系统中加入相应输入信号震荡周期固定幅度衰减百分该信号输出衰减指数衰减率般07509时保证系统稳定性
(3) 超调量整输出进行转换程中受控参数稳态值间差值（稳态值百分）够提升监测整动态程控制精度
(4) 调节时间渡受控参数时输入稳态值 5％+ 5％时间
322方案设计
设置级联控制系统程中包括两方面工作第次部分进行控制第二辅助控制回路部分控制回路中设置相应调节器具体控制象回路中调节器命名调节器控制象关键象二级回路中调节器命名二级调节器够控制程中起辅助作般调节器言设置相应R点输出ML作次级调节器参考两级调节器M2输出调节器改变参数C2
通设计双容量液位串级控制系统够系统较稳定输出时控制量方面够达量化控制等级调节较灵敏系统动态性快速响应
子象干扰f1（t）时子调节器干扰收集控制参数前运行扰动 f2（ t）作物体时克服进入次级环路种次级扰动该系统中存着二次回路整系统具较快响应速度通种回路加强整回路系统控制
图12 串级控制系统框图
(1) 控参数选择
整控制程中相应参数选择够直接反映终产品输出产品质量控制方面会整程较便测量双缸水箱控制系统讲水箱水位整控制关键必须水箱水位作整系统中控制关键液位具体求具体旦液位调整失败整系统控制够目前然已较成熟液位测量相关设备技术种测量方法包括直读式液位计浮力液位计静压液位计等种方法
(2) 控制参数选择
双储罐样储水系统具两等级液位液位具体等级进行调试程中通两流程具体控制旦电动控制阀突然关闭话第二种控制方法会导致整水流太长终出现水箱溢水情况发生样容易造成定浪费甚会带部分事发生必须整系统中流量作种重控制参数进行控制
(3) 副回路设计
助双闭环结构液位进行串级控制二次回路应具较强抑制力定适应力包括二次干扰非线性参数负载变化般针初级电路次级电路言时间常数方面值够达310间需助次级电路相应工艺特性进行进步改进水箱滞量水箱滞量特点说必须整设计程中效控制水箱水位
(4)控制器选择
首先需结合双罐水位该系统相关技术特征助数学模拟整控制器进行规律控制达液位级联控制水准必须双闭环调节器中利种例积分微分控制法进行控制调整水箱水位协助监机构控制系统
33控制系统仿真
MATLAB中功够效模拟出动态响应曲线Simulink该工具采控制框图代原程序编程模式需助相应模拟设备通函数设置仿真参数接文述相关传递函数串级控制系统进行效仿真样够实践应中验证方案否合理
331阶跃响应性
图13 单回路Simulink仿真框图
果时间零话该系统中添加值30种步进信号样控制器相关PID参数分表示KP935 TI0022 TD1125 阶跃响应曲线通初始点添加40阶跃输入观察
图14 单回路MATLAB仿真曲线图
图15双回路Simulink仿真框图
图16 双回路MATLAB仿真曲线图
图14单回路时仿真曲线 图16双回路时仿真曲线
较1416两图表未加入二次回路控制系统相引入次级回路形成双容量级级联控制系统极改善动态特性系统工作频率改变动象力进行调整
332抗扰动力
首先需初阶跃信号保持变状态干扰信号添加次级环路观察响应曲线终整控制器相关参数够稳定
图17单回路Simulink仿真框图
图18单回路MATLAB仿真曲线
图19双回Simulink仿真框图
图20双回路 MATLAB仿真曲线
图18显示单回路模拟曲线图20显示双环回路模拟曲线
图18图20出引入二次回路形成双容量储罐液位串控制系统克服二次回路干扰消时间参数影响干扰
总言通PID完成程序够储罐进行效控制实践验证方法效够提升该系统动态特点利防止干扰仿真曲线言通计算机计算获取般计算机实践模拟程中理想曲线控制性难应真实环境中
结
毕业设计设计程中仅学相关理知识完成实验构建中学计算科学等知识实现双容量罐中液位级联控制实际工程实践中受益匪浅学新知识掌握实践技尤书中实践中检验理知识认知更加深入
MATLAB作系统模拟工具特Simulink工具箱轻松模拟控制系统模拟计算机控制系统设计中出现问题系统设计更清晰
实际生产应程中系统关键方案规划根实际生产务特征进行设计两操控系统研发需加强完善规划时点位控制门阀张开程度调整箱体水容量果时控制液体流入速度调价水位显更加效外水箱水箱出水箱总出水阀间出水阀门水箱出水口开口程度会关系液体位置操控提高硬件搜集数性提高阀门控制性济条件允许范围采购精密仪器控制器侧电控阀控制信号位置信号改进控制方法阀门运动需电动机器操控阀门改操控算法智控制电动机器克服中国需积累分歧导致执行器移动太需求
实际工作中设计控制系统书理公式更设计系统必然位该行业前列具备效性行性
致谢
毕业设计接尾声学生活结束学生活刚刚结束回忆四年历心充满热情
首先特感谢老师石老师设计程难努力完成阶段予帮助次遇问题时做第件事请石老师帮忙石老师日里工作毕业设计阶段开始选题咨询材料确定文纲文中期修改文格式调整中提供耐心指导月里石老师仅提供详细学指导予细致关怀石老师表示衷心感谢敬意
次感谢四年中位教知识老师
感谢团队成员包容性感谢学校提供机会提高专业技受益匪浅未工作生活中会继续努力积累验提高
参考文献
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2王志新 谷云东 王加银等 双容水箱种液位控制实验控象数学模型[J] 北京师范学学报(然科学版) 2006 42(2)126130
3双容液位系统PI加前馈控制[J] 孟德华王英辉 吉林化工学院学报 2012(05)
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10张宇 范延滨 金金 基MATLAB水箱液位控制系统研究[J] 工业控制计算机 2016 29(11)5960
11 孙雷 基参数整定模糊PID控制容水箱系统中应[D] 哈尔滨理工学 2015
12华青 长青 基双容水箱系统数学模型研究[J] 电子世界 2017(4)5051
13劳深 付凯波 高国章 双容水箱液位控制系统设计[J] 交通科技 2011(3)160162
14杨旭 周悦 广 水箱液位控制系统设计研究[J] 制造业动化 2011 33(16)128130
15张宇 范延滨 金金 基MATLAB水箱液位控制系统研究[J] 工业控制计算机 2016 29(11)5960
附录1MATLAB源程序清单
1
2．
附录2 Simulink程序清单
单回路Simulink仿真框图
双回路Simulink仿真框图
抗扰动单回路Simulink仿真框图
抗扰动双回路Simulink仿真框图
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双容液位控制系统设计
专业：动化
班级：2014级1班
姓名：丁林
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引言 5
1系统总体设计 8
11液位串级控制系统介绍 8
12MATLAB软件介绍 9
2控象建模 12
21水箱模型分析 12
22阶跃响应曲线法建立模型 13
3系统控制方案设计仿真 22
31PID控制原理 22
32 系统控制方案设计 26
321控制系统性指标 26
322方案设计 26
33控制系统仿真 28
结 33
致谢 35
参考文献 36
附录1 38
附录2 39
摘
系统控制箱液体位置方法种非常先进算法系统系列需控制液体容量行业加工食品产业滤溶液产业化学化工产业饮料生产行业系统液体储存罐双容量形式设计程中仪器表盘动化式技术计算科学技术电子通讯技术动化控制技术等系列先进技术相互结合终完成量罐溶液位置控制第步剖析控制物体模型通双容罐液位控制系统建模分析分析受控象特点PID控制模式构成液位控制系统中液位次级调节参数级调节参数效克服双罐双扰容量滞问题缩短调节时间第二利操控物体模型操控步骤特征文选择串级操控系统非静态操控手段系统进行类划分设计构建仪器表盘操控系统具工智技术调节仪器处理终设计出操控液体位置级联仪器
关键词：液位PID控制模型仿真
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 production The system＇s 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 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 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 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 nonstatic control means to classify the system Design and construction of instrument dial manipulation systems and processing of regulating instruments with artificial intelligence technology Finally a cascaded instrument that controls the position of the liquid was designed
KeywordslevelPIDcontrolModelSimulation
引言
着科学技术发展速度加快现代轭域生产程中控制性问题日渐复杂生活某化学源生产程中常遇水流量控制问题石油化工轻工食品等工业生产程中种罐体原料半成品液体储罐产品先前工艺成品半成品继续流入工艺罐进行加工处理确保生产程连续进行必须控制罐液位例居民家庭供水通常需水库 水处理程需控制水库水位例核电蒸汽发生器乙烯工程废水处理厂动污水处理厂运行期间需设计合适控制器动调节容器入口出口流量便容器中液位保持正常水特入口液体出口液体流量较情况抑制液面变化实际生产中常互连液体储存容器坦克典型非线性时间延迟物体非常具代表性具强工业背景时水箱数学模型建立操控方案研发生产中锅炉液体位置操控系统生产程中锅炉液晶形式液体位置操控系统设计巨影响储物罐中操控研发难度更非线性操控系统理基础具奠基性作该研究实际生产中运非常普外非常全面包括控制理智控制等学科
述背景实际问题抽象某种储罐液位控制问题
着工业生产快速发展动化程度日常生活生产程中位断提高先进易实现算法程度促进工业生产然前学术研究成果实际生产应技术水相差甚远甚长达十年
年中国控制区已接甚超国际标准原实际操作理研究普遍现象早期理算法实际操作程中会遇种样问题程度影响应前景实验室中复制实际工业程没条件具典型物体独特性质设施理研究成果投入实际生产中便捷方法流水线类型工业化生产中般四种类型控制：水压力流量温度水工业化生产中普遍数够直接观测液位程组成实验系统灵活执行程配置实施种控制方案仅够满足实际现场应需求新理研究示范提供强台液位控制装置常程控制实验装置例瑞典隆德学许重研究报告模拟设备
液体位置操作系统研究程化操控理基础
课题目两存储罐组成液体位置测量操控系统实验研究象介绍硬件配置系统建模分析关联操控手段相关研究方法类似设计中动化式设备科学计算手段动化操控方法完成罐级级联控制
相关概念进行充分掌握学串级操控构造设计方法控制参数次级控制参数调节器次级调节器回路次级回路掌握串级控制系统特点串级控制系统设计思想掌握串级控制控制次级控制回路选择掌握串级控制系统调整方法参数熟悉PID参数控制系统质量影响利计算机调整PID参数投入运行动控制实验串级控制系统参数调整双容量控制系统实验参数确保调节程稳定快速获合适控制器参数
总结分析实验结果进改进实验中存问题实验结果出实验系统具良稳态性动态性
1系统总体设计
11液位串级控制系统介绍
生产务中操作程操控目标储存罐中存储液体位置该技术石油化工水位处理制造冶金工业等领域应重动化生产务中测量技术液体位置操控技术需重点关注液体位置测量控制时首先调查清楚设备中液体类型生成产品数规模规划储存罐中需液体流量达输入输出致生产流程正常运行计算科学技术操控动调整生产务中需原材料生成高质量产品规模成品设计达标时操控系统会造成生产产品合格浪费原材料者会引起系列生产安全事液位串级控制系统设计中基THJ2先进工艺测试操控系统研发整系统开展情况控制方法级联PID模型动化操控设备相关数搜集理科学计算操控方法相互结合组装系统
设计象属双容量水控制系统罐发生干扰时干扰通控制通道传送罐影响控制效果实际生产中果频繁发生干扰法获满意结果应快进行控制圈引入负反馈检测罐液位液位信号发送次级控制器直接作控制阀获更控制两控制器输入控制器设定值子控制器输出信号发送受控象控制器输出更改控制器设置便两连接控制设备称级联控制器该模拟系统双水位串级控制系统图1示：
图1系统结构框图
12MATLAB软件介绍
2000年美国mathwork公司开发MATLAB程序设计软件目前领域全科学计算工程设计方面受流行软件信号进行分析时图形图处理方面计算科学语音开发设计动化操控汽车制造产业航空航天研究生物欧冠南侧难医学工程等行业目前学研究机构项科学研究中常软件
该软件发布九十年代初期十余年断完善70版软件Win2000系统XP系统计算机中新软件功更加强拥处理常数学功矩阵高数计算够处理信号显示图形软件环境中操作员程序设计语言进行数学运算设计图形理文件基输入输出等功该软件增加数学形式实现计算机交流需明确尺寸工程应程序更快更利图
软件五部分
（1）MATLAB语言系统矩阵符号编码语言开发型程序复杂应程序完成程序基务算法设计算法实验
（2）MATLAB工作环境户理功基础处理操控容量中变化量输入输出设计手段研发控m组成部件
（3）生成图形式该软件基功具特语言指令造二维三维图形相关容相关容动态图形显示等强功包括研发非高端程序指令部件常见图形图视化程序等
（4）MATLAB函数类型该软件普通数学计算中非常流行带数学计算算法高数方程式计算矩阵计算等
（5）MATLABMATLAB提供函数带命令中引软件MAt文件容
MATLAB方便程序扩充具种工具箱配置机系统完成特定务MATLAB中控制系统带工具箱存储着种算法设计功
13Simulink介绍
二十世纪九十年代MaWorks公司专门该软件开发工具输入模型图设计仿真取名SIMUL AB该工具公布迅速领域仿真软件已进入建模阶段配置阶段然名称类似时著名软件Simula该软件1992更名SIMUL墨水SIMULINK出现控制系统分析设计带消息顾名思义软件名称显示系统两功：Simu（仿真）链接（连接）软件鼠标控制软件设计时需模型运Simulink仿真需系统
SIMULINK软件扩充工具适非静态模拟系统软件程序语言通处需工设计图形利中设计图形模型节约户设计时间构建系统模型
利建立模型求SIMULINK包含基图形模型户输入相应需求需达输出系统动匹配设计出相应设计户关心设计程通调必连接起系统模型（mdI文件访问）仿真分析
2控象建模
受控象数学模型构建程中够起程控制方法系统作控制器参数调整提供效参考数开展质量指标分析程中重该数学模型指指包括受控变量扰动量输入量影响显示输出功（控制变量）功公式油位控制系统中控制油箱意义水箱部水箱受系统控制THJ2首先会进入程控制实验相关设备两罐具串联功圆柱罐两罐构造材料选机玻璃水箱高度20厘米宽度25厘米水箱高度水箱致宽度水箱略长35厘米水箱分工作缓等槽
21水箱模型分析
图2液位控制程示意图
水箱水位水箱水位改变程单容量程文单容量具动调节功图2液体控制程详细示意图图通计算知水箱中流入量设置Q1水箱中流出量设置Q2果改变图中阀1开度效改变水箱中流入量果改变图阀2开度效改变水箱中流出量文章液位设置H果H值越水箱中压力值越水箱中流出量越知液位改变会水箱中流入量流出量产生巨影响外H改变说明Q1Q2暂时未达蓄水滴水程果Q受控程输入H输出受控程数学模型HQ间数学表达式
文章动态物料衡原理列计算公式：
水箱保持静态状态时水箱中流出量流入量数值相等满足果时流入量变化液位数值会改变水箱1中压力会受定影响发生改变时水箱流出量会变化流体力学相关理知液位流量存非线性关系方便文章研究文中奖液位流量做线性处理列公式：通拉普拉斯进行变换单容液位传递函数公式示
注述公式中出 ∆Q1∆Q2∆H 分代表偏离某衡状态Q10 Q20h0增量数值公式中R2代表阀2阻力数值公式中R2C代表水箱横截面积水时间公式中K代表放系数时公式中C代表液位程容量系数
22阶跃响应曲线法建立模型
文章设计程中实验建模方式效确定步进信号输入受控象水箱水箱水位关参数相关曲线
通文章磁力驱动泵水箱供水工改变电控阀开度数值进实现水箱定水位改变控制象施加阶跃输入信号
测量模型相关参数中利列种方式效控调节阀受控象添加阶跃信号具体操作方法示：
（1）利智调节阀效调整调节阀开度数值进改变水箱流入量实现水箱水位控制受控象发送阶跃信号
图3水箱模型测定原理图
1水箱阶跃响应参数测定
图电路工控制调节器开度数值水箱中水位实现衡状态调整调节阀开度时层水箱中输入阶梯信号确保液位衡
图4水箱阶跃响应曲线
表作者通实验记录水箱阶跃响应数详细状况作者进行数采集程中隔30秒进行次采集
表1水箱阶跃响应数
1
2362
7
4477
13
4776
19
4764
2
3050
8
4556
14
4787
20
4709
3
3525
9
4617
15
4789
21
47．09
4
3869
10
4706
16
47．28
22
4641
5
4132
11
4725
17
4701
23
4628
6
4331
12
4716
18
4715
24
4590
2水箱阶跃响应参数测定
图电路工控制调节器开度数值水箱中水位实现衡状态调整调节阀开度时层水箱中输入阶梯信号确保液位衡
图5水箱阶跃响应曲线
表作者通实验记录水箱阶跃响应数详细状况作者进行数采集程中隔30秒进行次采集
表2水箱阶跃响应数
进行数采集程中会采集效数果效数进行计算会增加误差文章选择Matlab工具处理采集新数先数整合响应曲线计算储罐模型述实验数中发现Y轴坐标零点阶跃响应初始点数值Y轴阶跃响应数点效计算出X轴相应点
3求取水箱模型传递函数
文章利Matlab工具Matlab中输入列拟合指令示：
曲线图形绘制软件中显示情况示：
图6水箱拟合曲线
注：图中曲线拟合曲线该点原始数点数点基符合曲线
终结合相应四阶项式进行计算出结果
外结合相关曲线计算出部罐体特征参数换句话说t 0时曲线斜率然逐渐升稳态值需确定 K T斜率Kt 0时P（t）导数P ^’（0） 024707
点A处切线稳态值点A映射T轴点B处点T
图7水箱模型计算曲线
阶跃响应扰动值10 静态放子阶跃响应曲线稳态值y(∞)阶跃扰动值XOk0y∞x0水箱传递数G1s2459916S+1
4水箱模型建立
MATLAB命令窗口中需输入指令：
结合指令出曲线：
图8水箱拟合曲线
注 图出曲线拟合曲线点选择原始数点够符合曲线基特征
结合图终罐相应曲线助四阶项式进行计算出结果：
结合曲线利切线绘图法计算部罐特征参数换句话说t 0时曲线斜率然逐渐升稳态值需确定KT斜率Kt 0时P（t）导数P ^’（0） 012175
状态A切线稳定状态A应t轴映射点B处点T
图9水箱模型计算曲线
时候越阶响应扰动值10通静态子进行放出越阶响应曲线相应稳定值阶跃扰动值y∞x0两者间关系：
应出相关传递函数表达式：
具体实验建模进程中控象广义受控象动态特点进行控制程中般调节阀变送器测量进行控制广义受控象言相关传递函数表达：
公式中 Gvs指调节阀相关传递函数Gms指测量变返器相应传递函数
图10 THJ2高级程控制实验装置图
3系统控制方案设计仿真
整控制系统进行设计程中关键方进行控制计划设计必须相关参数进行合理选择保障相应规律够进行合理设计正确方案选择助相关仪表计算机系统完成样够整设计程中发挥出良作
31PID控制原理
截目前止着控制理计算机技术断发展PID控制技术方面发展更加成熟许先进控制方案已广泛应工程实际应程PLCPID实现良控制包括音乐流量温度等进行全面控制时计算机系统中组成部分
目前量工程实践程中应例微分积分控制方法调节器控制程中控制原理种控制器存时间已接70年
图11 PID控制基原理图
PID控制器言线性负反馈控制器够通定值实际值两者间差构造成控制偏差
相关控制规律表达：
外通传递函数进行表示：
述公式中Kp代表例系数Ti代表积分时间常数Td代表微分时间常数般言微分时间常数PID控制器进行控制作包括点：
（1）例控制（P）：前效简单控制方法例控制法控制器输入信号输入信号间误差呈现出正关系果该误差进行克服话够该系统趋稳定果采例控制方法时候会存系统输出稳态误差
（2）积分控制（I）：积分控制环节言控制器输入输出信号间误差积分够呈现出正关系动控制系统中果稳定存定误差系统够优秀消稳态误差带影响必须积分项引入整控制器中积分项误差累积该积分时间决定误差较积分项会时间断增加整累积误差段升果高集成速度进行提升话够造成整系统稳定性充足终导致系统存定震荡例积分控制器PI整系统中作帮助系统进入稳定状态时消稳态误差
（3）微分控制（D）：微分进行控制程中相应控制器输出输入输出间信号误差导数会呈现正关系果整误差进行调整程中动控制器会身震荡终失控制稳定原部分惯性者滞环节中够错误进行抑制变化总错误变化发生想种问题想解决话通增加抑制误差效果误差接零时候抑制误差影响接零仅仅控制器中通引入相关例够完善例中作起误差放作必中补入微分项样够发生误差进行准确预测够误差预先等0者负样够避免控制量失调状况发生特部分惯性较者滞较受控环节言例积分够提高整系统动态控制力整系统设计程中PID参数重设计部分
PID控制器参数整定方法分两类：
第种方法称理计算整定法种方法够基定数学模型通理计算获取相应参数理计算程中够反映出整程动态特征样理计算般够必须实际试验进行相应调整
第二项目设置方法种方法起较简单PID控制器中相关参数调整方法包括界例法响应曲线法等衰减线三种方法种方法通长期测试够根相关工程验终控制器参数进行设定种方法实际应程中断进行改良
1界例法
果封闭控制系统情况调节器积分时间采界例法进行计算封闭环境中积分时间TI设置微分时间TD置零时候相应例度σ设置较值样系统循环会陷入种良状态系统必须停调节调节器相应例例调节程进行调节样够界震荡程中相应界率σk进行记录相应公式调节器参数
图3 界振荡设置计算公式
2阻尼振荡法
果调节器封闭式控制系统中相应积分时间TI放话相应积分时间TD够变零样设设置率值时候重复该设定值进行情况实验逐渐率进行降低直终曲线中出现41样信号止记录时候衰减例衰减周期相应参数调节公式示：
图4 阻尼振荡整定计算公式
3反应曲线法
受控象言阶惯性连路中具较滞性系统开环广义程中测量发送器响应特性进行进步计算求必须调节阀中添加阶跃信号整输入变化量形成响应曲线该曲线中够动态特征相关参数
32 系统控制方案设计
321控制系统性指标
(1) 静态偏差系统完成转换相应设定值受控参数稳态值两者间差异称静态偏差
(2) 衰减率衰减率指整闭环控制系统中加入相应输入信号震荡周期固定幅度衰减百分该信号输出衰减指数衰减率般07509时保证系统稳定性
(3) 超调量整输出进行转换程中受控参数稳态值间差值（稳态值百分）够提升监测整动态程控制精度
(4) 调节时间渡受控参数时输入稳态值 5％+ 5％时间
322方案设计
设置级联控制系统程中包括两方面工作第次部分进行控制第二辅助控制回路部分控制回路中设置相应调节器具体控制象回路中调节器命名调节器控制象关键象二级回路中调节器命名二级调节器够控制程中起辅助作般调节器言设置相应R点输出ML作次级调节器参考两级调节器M2输出调节器改变参数C2
通设计双容量液位串级控制系统够系统较稳定输出时控制量方面够达量化控制等级调节较灵敏系统动态性快速响应
子象干扰f1（t）时子调节器干扰收集控制参数前运行扰动 f2（ t）作物体时克服进入次级环路种次级扰动该系统中存着二次回路整系统具较快响应速度通种回路加强整回路系统控制
图12 串级控制系统框图
(1) 控参数选择
整控制程中相应参数选择够直接反映终产品输出产品质量控制方面会整程较便测量双缸水箱控制系统讲水箱水位整控制关键必须水箱水位作整系统中控制关键液位具体求具体旦液位调整失败整系统控制够目前然已较成熟液位测量相关设备技术种测量方法包括直读式液位计浮力液位计静压液位计等种方法
(2) 控制参数选择
双储罐样储水系统具两等级液位液位具体等级进行调试程中通两流程具体控制旦电动控制阀突然关闭话第二种控制方法会导致整水流太长终出现水箱溢水情况发生样容易造成定浪费甚会带部分事发生必须整系统中流量作种重控制参数进行控制
(3) 副回路设计
助双闭环结构液位进行串级控制二次回路应具较强抑制力定适应力包括二次干扰非线性参数负载变化般针初级电路次级电路言时间常数方面值够达310间需助次级电路相应工艺特性进行进步改进水箱滞量水箱滞量特点说必须整设计程中效控制水箱水位
(4)控制器选择
首先需结合双罐水位该系统相关技术特征助数学模拟整控制器进行规律控制达液位级联控制水准必须双闭环调节器中利种例积分微分控制法进行控制调整水箱水位协助监机构控制系统
33控制系统仿真
MATLAB中功够效模拟出动态响应曲线Simulink该工具采控制框图代原程序编程模式需助相应模拟设备通函数设置仿真参数接文述相关传递函数串级控制系统进行效仿真样够实践应中验证方案否合理
331阶跃响应性
图13 单回路Simulink仿真框图
果时间零话该系统中添加值30种步进信号样控制器相关PID参数分表示KP935 TI0022 TD1125 阶跃响应曲线通初始点添加40阶跃输入观察
图14 单回路MATLAB仿真曲线图
图15双回路Simulink仿真框图
图16 双回路MATLAB仿真曲线图
图14单回路时仿真曲线 图16双回路时仿真曲线
较1416两图表未加入二次回路控制系统相引入次级回路形成双容量级级联控制系统极改善动态特性系统工作频率改变动象力进行调整
332抗扰动力
首先需初阶跃信号保持变状态干扰信号添加次级环路观察响应曲线终整控制器相关参数够稳定
图17单回路Simulink仿真框图
图18单回路MATLAB仿真曲线
图19双回Simulink仿真框图
图20双回路 MATLAB仿真曲线
图18显示单回路模拟曲线图20显示双环回路模拟曲线
图18图20出引入二次回路形成双容量储罐液位串控制系统克服二次回路干扰消时间参数影响干扰
总言通PID完成程序够储罐进行效控制实践验证方法效够提升该系统动态特点利防止干扰仿真曲线言通计算机计算获取般计算机实践模拟程中理想曲线控制性难应真实环境中
结
毕业设计设计程中仅学相关理知识完成实验构建中学计算科学等知识实现双容量罐中液位级联控制实际工程实践中受益匪浅学新知识掌握实践技尤书中实践中检验理知识认知更加深入
MATLAB作系统模拟工具特Simulink工具箱轻松模拟控制系统模拟计算机控制系统设计中出现问题系统设计更清晰
实际生产应程中系统关键方案规划根实际生产务特征进行设计两操控系统研发需加强完善规划时点位控制门阀张开程度调整箱体水容量果时控制液体流入速度调价水位显更加效外水箱水箱出水箱总出水阀间出水阀门水箱出水口开口程度会关系液体位置操控提高硬件搜集数性提高阀门控制性济条件允许范围采购精密仪器控制器侧电控阀控制信号位置信号改进控制方法阀门运动需电动机器操控阀门改操控算法智控制电动机器克服中国需积累分歧导致执行器移动太需求
实际工作中设计控制系统书理公式更设计系统必然位该行业前列具备效性行性
致谢
毕业设计接尾声学生活结束学生活刚刚结束回忆四年历心充满热情
首先特感谢老师石老师设计程难努力完成阶段予帮助次遇问题时做第件事请石老师帮忙石老师日里工作毕业设计阶段开始选题咨询材料确定文纲文中期修改文格式调整中提供耐心指导月里石老师仅提供详细学指导予细致关怀石老师表示衷心感谢敬意
次感谢四年中位教知识老师
感谢团队成员包容性感谢学校提供机会提高专业技受益匪浅未工作生活中会继续努力积累验提高
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附录1MATLAB源程序清单
1
2．
附录2 Simulink程序清单
单回路Simulink仿真框图
双回路Simulink仿真框图
抗扰动单回路Simulink仿真框图
抗扰动双回路Simulink仿真框图
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