双容水箱液位串级控制系统的设计

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1、控制系统仿真课程大作业题目：双容水箱液位串级控制系统的设计院系名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：评语：成绩：任课教师：时间：摘要本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用MATLAB仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计

2、并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词：液位；模型；PID控制；MATLAB仿真；计算机过程控制系统16目录摘要21概述41.1过程控制介绍41.2液位串级控制系统介绍41.3MATLAB软件介绍41.4MCGS组态软件介绍52被控对象建模52.1水箱模型分析52.2阶跃响应曲线法建立模型63系统控制方案设计与仿真103.1PID控制原理103.2系统控制方案设计113.2控制系统仿真124建立仪表和计算机过程控制系统16结论17参考文献18161概述1.1过程控制介绍过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（除了被控对象﹑检测与执行装置外）。1．过程计

3、算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器﹑时钟电路﹑内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分。（2）包括各种控制开关﹑数字键﹑功能键﹑指示灯﹑声讯器和数字显示器等的（3）通用外围设备包括打印机﹑记录仪﹑图形显示器﹑闪存等，它们用来显示﹑存储﹑打印﹑记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁。2．过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集﹑滤波程序﹑控制量计算程序﹑生产过程监控程序），应用软

4、件的优劣将影响到控制系统的功能﹑精度和效率。1.2液位串级控制系统介绍在液位串级控制系统的设计中采用传统的串级PID控制的方法，利用智能调节仪表﹑数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。1.3MATLAB软件介绍MATLAB系统由五个主要部分组成：16(1)MATALB语言体系：MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和

5、算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。(2)MATLAB工作环境：这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。(3)图形图像系统：这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。(4)MATLAB数学函数库：这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等

6、高层次数学算法。(5)MATLAB应用程序接口(API)：这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。1.4MCGS组态软件介绍MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个部分组成。利用MCGS软件组建工程的过程简介：工程项目系统分析；工程立项搭建框架；设计菜单基本体系；制作动画显示画面；编写控制流程程序；完善菜单按钮功能；编写程序调试工程；连接设备驱动程序；工程完工综合测试。2被控对象建模在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制

7、好水箱的液位。上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。上水箱尺寸为：;下水箱尺寸为：，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。2.1水箱模型分析16Q112Q2Ah图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通