基于MATLAB/SIMULINK水箱液位控制系统的研究

论文总字数：17294字

目 录

1 绪论 1

1.1 过程控制的定义 1

1.2过程控制的特点 1

1.3 过程控制的发展与趋势 1

2 水箱液位控制系统的原理 3

2.1 人工控制与自动控制 3

2.2水箱液位控制系统的原理框图 4

2.3水箱液位控制系统数学模型的建立 5

3 水箱液位控制系统的组成 7

3.1 被控变量的选择 7

3.2执行器的选择 7

3.3 PID控制器的选择 8

3.4 液位变送器的选择 9

4 水箱液位控制系统仿真研究 9

4.1 MATLAB/SIMULINK软件介绍 9

4.2水箱数据采集及传递函数的求取 11

4.2.1水箱数据采集 11

4.2.2数据拟合与水箱传递函数求取 12

4.3 控制系统仿真 14

4.3.1不加扰动的系统仿真 15

4.3.2加入扰动的系统仿真 20

5 总结与展望 21

参考文献 22

致谢 23

基于MATLAB/SIMULINK水箱液位控制系统的研究

唐伟伟

，China

Abstract：With the rapid development of automation theory, the industrial production is getting closer and closer to the automatic control, so control system is becoming more and more important for industrial production process. This paper use three water tank as the controlled object, then make a simple introduction about the principle of three tank water liquid level controller and fit the data through the data collection and MATLAB software, finally calculate the transfer function of the water tank through the fitting curve. And made a brief introduction to MATLAB software, and then through the MATLAB software make the real-time dynamic simulation of tank liquid level controller according to the the transfer function. Through the response curve of simulation, this paper carry on the performance contrast analysis of non cascade control and cascade control, finally concluded that, for the three tank liquid level controller, cascade control compared to non cascade control have better control, and cascade control is more suitable for the three tank liquid level controller.

Key words：Process control;Liquid level control; Simulation and modeling

1 绪论

1.1 过程控制的定义

工业中的过程控制是以温度、流量、压力、液位和成分等工艺参数作为被控量的自动控制^[1]。一般来说，我可以在在工作过程的任意时间段里对过程进行控制，不同时间段的控制分为不同的控制模型，大致可分为三种：在行动开始之前进行控制的预先控制、在行动之中进行控制的过程控制以及在行动结束之后进行控制的事后控制^[2]。工业过程控制就是指使用计算机对工业过程中的电压、温度、压力、流量、成分等物理量和化学量进行的控制。过程控制的主要作用是：保证生产过程稳定，防止发生事故；保证产品质量；节约原料、能源消耗，降低成本；充分发挥设备优势，提高生产效率；减轻劳动强度，改善劳动条件。

1.2过程控制的特点

过程控制就是利用各种自动化技术工具，比如自动检测仪表、自动控制仪表、现代计算机等等，对整个生产过程进行自动检测并把检测结果与预定值相比较，然后对生产过程进行调节以达到对整个生产过程的自动控制^[3]。一个完整的过程控制系统主要包括两部分，那就是过程检测仪表和被控过程。其中过程检测控制仪表大致由四部分组成，那就是调节阀、变送器、调节器以及检测元件。为了实现对生产过程的最佳控制，我们要根据实际的需求以及工业过程的特性进行具体问题具体分析，并通过分析的结果进行仪表的选用以及参数的整定。过程控制有以下特点：（1）生产过程是一个连续的生产过程。在过程控制系统中，需要对被控量进行连续可调的定量控制，而且在密闭的环境中被控量一直不停的受到各种扰动的影响。（2）被控过程是非常复杂的，是多种多样的。过程控制涉及的范围是很广泛的，其中包括热工过程的热换器、锅炉以及石化过程中的精馏塔和反应器等等。被控对象也是非常复杂的，动态性的形式大多表现为大滞后、大惯性，且还具有分布参数、非线性和时变特性。（3）控制过程一般是一个参量控制的慢过程。这些都是由被控过程的动态性多表现为大惯性、大滞后的特性所决定的。（4）控制方案十分丰富。被控过程对象具有不同的特性，生产规模也有很大的不同，对生产的要求也各有差异，这些都决定了过程控制方案的丰富性。这其中就包括常规PID控制、改进PID控制、串级控制、预测控制、最优控制、比值控制、选择性控制、前馈-反馈控制、解耦控制、模糊控制等等^[4]。

1.3 过程控制的发展与趋势

在过程控制发展的过程中，过程控制理论从简便的经典控制理论慢慢地发展为现代控制理论，过程控制系统从简单的单输入单输出系统变为现在的多输入多输出系统，这是一个从简单到复杂并且日益完善的过程。在这个过程中过程控制体系越来越完善，涉及的领域也越来越宽广。从过程控制发展的整个历史了来看，大致经历了以下几个阶段^[5]：

（1）20世纪40年代：大部分的生产过程都需要靠人工来操作，只有少部分的生产步骤有检测仪器的参与，操作人员凭借观察到的反应生产状态的关键参数，然后根据自己的经验来进行生产过程的操作。正如大家所知道的，经验操作带来的问题就是生产结果精度不够，这给某些需要高精度操作的领域带了很大的麻烦，也正是这样的问题推动了自动控制系统的出现和发展。

（2）20世纪40年代末到50年代：20世纪40年代末出现了采用经典控制理论的第一代过程控制体系--基地式气动控制仪表系统（如图1-1），20世纪50年代在第一代过程控制体系的基础出现了第二代过程控制体系--电动单元组合模拟控制仪表系统（如图1-2），这两代过程控制体系都采用了以反馈为中心的经典控制理论，都是单输入、单输出的简单控制系统，实现了对生产过程的集中式管理。这就是最早的自动控制系统，相比于纯手工操作，大大减少了人力的劳动，加快了生产的效率和精度，为自动控制的发展奠定了良好的基础。

图1-1 基地式仪表 图1-2 电动单元组合仪表

（3）20世纪60年代：20世纪60年代初,美国首先利用计算机控制技术实现了对火电厂单元机组的自动控制,实现了首个计算机闭环自动控制；同年英国科学家发明了Ferranti Argus计算机控制系统，使用数字仪表代替模拟仪表的方法，自此自动控制技术由模拟化走上数字化的道路。数字技术是一种全新的控制技术，也是人们走上数字控制的重要一步。它经历了计算机直接控制系统DDC(Direct Digital Control)、计算机集中监督控制系统SCC(Supervisory Computer Control System)等阶段^[6]。随着生产过程的强化，控制系统的集中程度越来越高，推动了第三代控制体系--计算机集中式数字控制系统的出现。

（4）20世纪70到80年代：随着微型电子技术的快速发展，大规模的集成电路技术日益成熟，而且集成度越来愈高，32位微处理器问世，这些都促成了控制系统的快速发展。1975年，控制理论和技术得到了进一步的发展，随着计算机控制技术进一步应用于自动控制领域，为了达到功能分散、达到分散危险、提高可靠性的目的，一种新的过程控制体系出现了，它就是第四代过程控制体系--集散式控制系统（如图1-3）DCS（Distributed Control System）。集散式控制系统是在计算机集中式数字控制系统的基础上发展起来的，相对来说，它不仅具备计算机集中式数字控制系统的全部优点，而且在这基础之上，它克服了控制算式不够先进、控制过程相应不够快、控制精度不够高的缺点。

（5）20世纪90年代至今:这是一个信息技术飞速发展的时代，控制系统也走在数字化、网络化、智能化的路上快速发展，出现了控管一体化的第五代过程控制体系--现场总线控制系统（如图1-4）FCS（Fieldbus Control System）。FCS是后DCS时代一种全新的控制体系，它的整个系统就像一台按照总线方式运行的巨型计算机，这引起了过程控制系统功能结构和体系结构上最重要的变革。

图1-3 集散式控制系统 图1-4 现场总线控制系统

2 水箱液位控制系统的原理

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