【正文】 ........................ 6 機(jī)理法 ....................................................... 6 雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立 ........................................... 6 單容水箱數(shù)學(xué)模型的建立 ...................................... 6 雙容水箱數(shù)學(xué)模型的建立 ...................................... 7 確定被控參數(shù)及控制變量 ........................................... 8 第三章 液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ............................................ 10 單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .......................................... 10 控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)整定 .......................................... 10 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ................................................. 12 串級(jí)控制系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 思想 ..................................... 12 主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 .................................. 12 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 .......................................... 12 第四章 控制系統(tǒng)的仿真 .................................................. 16 單回路控制系統(tǒng)的仿真 ............................................ 16 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真 .............................................. 21 無(wú)調(diào)節(jié)模塊的串級(jí)控制 系統(tǒng) .................................. 21 加入調(diào)節(jié)模塊的串級(jí)控制系統(tǒng) ................................ 22 單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)的比較 ............................ 23 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 V 第五章 全文總結(jié) ......................................................... 25 參考文獻(xiàn) ................................................................. 25 致 謝 .................................................................... 26 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) ............................................................. 27 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第一章 緒論 選題背景及意義 液位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤(rùn)滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓?chǎng)合，常需對(duì)容器中液位進(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢?jiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位系統(tǒng)通常是時(shí) 變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過(guò)程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對(duì)象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實(shí)際中的被控對(duì)象往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成的多容對(duì)象。兩個(gè)串連的單容對(duì)象構(gòu)成的雙容對(duì)象就比較典型。 液位控制設(shè)計(jì)依賴(lài)的自動(dòng)控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個(gè)發(fā)展階段，現(xiàn)在已進(jìn)入了非線性智能控制理論發(fā)展時(shí)期。從控制理論解決的問(wèn)題而論，很多重大的、根本的問(wèn)題，如可控性、可觀測(cè)性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比較 完善的理論體系。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿(mǎn)足工程技術(shù)及各種其它領(lǐng)域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。特別是本世紀(jì) 80 年代以來(lái)，電子計(jì)算機(jī)的快速更新?lián)Q代和計(jì)算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動(dòng)了控制理論研究的深入開(kāi)展，并進(jìn)入了一段新的歷程?？刂评碚摰难杆侔l(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的控制算法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在 50 年代就有了相當(dāng)?shù)难芯浚S著人們逐漸認(rèn)識(shí)到它的一些優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)攝動(dòng)的某種完全適應(yīng)性，并可用來(lái)設(shè)計(jì)日益復(fù)雜對(duì)象的控制規(guī) 律，近年來(lái)又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。 人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問(wèn)題，因此液位是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)。特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。由于液位檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標(biāo)和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測(cè)量成為共同的發(fā)展趨勢(shì)，隨著畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液位檢測(cè)的自動(dòng)控制成為其今后的發(fā)展趨勢(shì)，控制過(guò)程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤 ，提高生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，液位檢測(cè)的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 過(guò)程控制的特點(diǎn) 液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動(dòng)進(jìn)行下去。液位過(guò)程參數(shù)的變化不但受到過(guò)程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)一般不止一個(gè)，在過(guò)程中的作用也不同，這就增加了對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行 控制的復(fù)雜性，或者控制起來(lái)相當(dāng)困難，因此形成了過(guò)程控制的下列特點(diǎn)： 1)對(duì)象存在滯后 熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。因此，當(dāng)流入 (流出 )對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。 2)對(duì)象特性的非線性 對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動(dòng)態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重 要的。 3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜 從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過(guò)程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時(shí)，對(duì)象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來(lái)，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來(lái)的，這就是具有積分的對(duì)象。任何生產(chǎn)過(guò)程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。 液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 目 前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的 PID 控制算法為主。PID 控制是以對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的線性、時(shí)不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用 PID 控制能夠取得滿(mǎn)意的控制效果。但對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過(guò)簡(jiǎn)化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，傳統(tǒng)的 PID 控制方式顯得無(wú)能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類(lèi)繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時(shí)滯性很大、具有時(shí)變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響 PID控制的效目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的控 制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。 隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復(fù)雜化，對(duì)設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來(lái)越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程高效，安全的進(jìn)行，保證并提高產(chǎn)品的質(zhì)量 ,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè) ,及時(shí)準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運(yùn)行狀況 ,已成為目前過(guò)程控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 近幾十年來(lái)，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。 在輕工行業(yè)中，液位控制的 應(yīng)用非常普遍，從簡(jiǎn)單的浮球液位開(kāi)關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測(cè)一直到高精度的同位素液位檢測(cè)系統(tǒng)到處都可以見(jiàn)到他們的身影。 而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物上。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。凡舉蓄水池 ,污水處理場(chǎng)等都需要液位元的控制 .如果能通過(guò)一定的系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)維持液位的高度那么操作人員便可輕易地在操作時(shí)獲知真?zhèn)€設(shè)備的儲(chǔ)水狀況 ,如此不但工作人員工作的危險(xiǎn)性 ,同時(shí)更提升了工作的效率及簡(jiǎn)便性 . 液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器來(lái)講，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó) 等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有差距。目前，我國(guó)液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制 器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 液位控制的前景 在構(gòu)建液位控制系統(tǒng)的過(guò)程中，我們得知實(shí)際操作的變異性存在其中，因此如何分析、調(diào)整及改良便是我們?nèi)蘸笏氐囊c(diǎn)。而在完成傳統(tǒng)的 PID操作控制系統(tǒng)后，未來(lái)我們更將利用 Geic Algorithms 找出最好的參數(shù)并建構(gòu)在液位控制系統(tǒng)。且比較加入智能型控制后的系統(tǒng)與傳統(tǒng) PID 是否會(huì)有性能上的差異。近年來(lái)液位控制系統(tǒng)取得了很大進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達(dá)液位儀、光電液位開(kāi)關(guān)等，這些控制器利用無(wú)線電波的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 折射及反射原理。 光線在兩種介質(zhì)的分接口將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象。當(dāng)被測(cè)液體處于高位時(shí)則被測(cè)液體與光電開(kāi)關(guān)形成一種分界面，當(dāng)被測(cè)液體處于低位時(shí)，則空氣與光電開(kāi)關(guān)形成另一種分界面。這兩種分接口使光電開(kāi)關(guān)內(nèi)部光接受晶體所吸收的反射光強(qiáng)度不同，即對(duì)應(yīng)兩種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制