【正文】 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、德國、瑞典等國技術(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。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達液位儀、光電液位開關(guān)等，這些控制器利用無線電波的折射及反射原理。 液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。 第二章 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型（Mathematical Model）是一種模擬，是用數(shù)學(xué)符號、數(shù)學(xué)式子、程序、圖形等對實際課題本質(zhì)屬性的抽象而又簡潔的刻劃，它或能解釋某些客觀現(xiàn)象，或能預(yù)測未來的發(fā)展規(guī)律，或能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種意義下的最優(yōu)策略或較好策略。數(shù)學(xué)建模和計算機技術(shù)在知識經(jīng)濟時代的作用可謂是如虎添翼。這就需要深厚扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，敏銳的洞察力和想象力，對實際問題的濃厚興趣和廣博的知識面。 2）模型假設(shè)　　根據(jù)實際對象的特征和建模的目的，對問題進行必要的簡化，并用精確的語言提出一些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。 6）模型檢驗將模型分析結(jié)果與實際情形進行比較，以此來驗證模型的準(zhǔn)確性、合理性和適用性。系統(tǒng)建模基本方法有機理法建模和測試法建模兩種，機理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實際情況對其輸入輸出進行某些數(shù)學(xué)處理得到。水槽的平衡方程為 Q Q=A (11)此時出口物料流量Q可以寫成 Q= (12)將（12）帶入（11）可得 AR+ h =RQ (13)將（13）進行拉式變換后，可得傳遞函數(shù) (14)令A(yù)R=T，R=K，H=Y，Q=X，可得單容液位對象的數(shù)學(xué)模型，即傳遞函數(shù)為 (15) 實際上，水槽底面積越大，對液體的容量也越大，相同流量的改變造成的液位變化也越小。由于兩容器的流出閥均為手動閥門，故有：=A=A其對應(yīng)的拉式變化為 Q(s)Q(s)=Ash(s) （21） Q(s)Q(s)=Ash(s) （22）令容器容器2相應(yīng)的閥門液阻分別為和,其中 Q(s)= （23） Q(s)= （24）將（23）和（24）帶入（21）和（22），可得 = （25）令T=AR,T=AR,可得 （26）可見，雖然容器1的液位會影響容器2的液位，但容器2的液位不會影響容器1，二者不存在相互影響；過程的傳遞函數(shù)相當(dāng)于兩個容器分別獨立時的傳遞函數(shù)相乘，但過程增益為兩個獨立傳遞函數(shù)相乘的1/R1倍。在該液位控制系統(tǒng)中，建模參數(shù)如下：控制變量：水流量Q；被控參數(shù)：下水箱液位；控制器：PID； 執(zhí)行器：控制閥；控制對象特性： （上水箱傳遞函數(shù)） （下水箱傳遞函數(shù)）第三章 液位控制系統(tǒng)方案設(shè)計為保持下水箱液位的穩(wěn)定，設(shè)計中采用閉環(huán)系統(tǒng)，將下水箱液位信號經(jīng)水位檢測器送至控制器（PID），控制器將實際水位與設(shè)定值相比較，產(chǎn)生輸出信號作用于執(zhí)行器（控制閥），從而改變流量調(diào)節(jié)水位。 單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 不加串級控制對象的PID控制系統(tǒng)框圖如下： 圖31 單回路系統(tǒng)框圖 整定主控制器的PID參數(shù)，整定好參數(shù)后，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察各參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能的影響。(2)穩(wěn)定邊界法(臨界比例度法)。它既能保證實現(xiàn)穩(wěn)定閉環(huán)振蕩，又不需離線進行，是獲得過程臨界信息的最簡便方法之一。該方法先求取系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)對象的純遲延時間、時間常數(shù)和放大系數(shù)，按ZieglerNichols經(jīng)驗公式計算PID參數(shù)。事實上，因其簡單實用，在目前的許多企業(yè)中，傳統(tǒng)的PID參數(shù)整定方法仍在大量應(yīng)用，尤其是在單回路系統(tǒng)中。另外由Tu還可得到采樣周期的估計值，再利用ZN經(jīng)驗公式或其它經(jīng)驗公式即可計算出PID的參數(shù)。實際中常采取積分分離措施，即當(dāng)偏差較大時，不施加積分控制；當(dāng)偏差較小時，才施加積分控制。積分分離時，取常見的積分項改進的數(shù)字PID控制算法還有抗積分飽和算法、梯形積分算法和消除積分不靈敏區(qū)的算法。根據(jù)被調(diào)參數(shù)的波動情況由控制系統(tǒng)自動選擇P、I、D控制參數(shù)的方法，即分段控制方法可以取得較好的控制效果。串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。 下面是串級控制系統(tǒng)的特點：(1)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計的目的就在于穩(wěn)定這一變量，使它等于工藝規(guī)定的給定值。(4)由于增加了副回路作用，因此具有一定的自適應(yīng)能力，可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。這樣的問題，主回路是一個定值系統(tǒng)，副回路卻是一個隨動系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。副被控參數(shù)的設(shè)置是為了克服主要干擾對主參數(shù)的影響，保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，因而可以允許在一定范圍內(nèi)變化，并允許有靜差。主、副回路的原理不一樣，對主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。兩步整定法是按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。 所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。C如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時間常數(shù)Ti，即可得到改善?，F(xiàn)用控制變量法，分別改變P、I、D參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化，研究各調(diào)節(jié)器的作用。經(jīng)過多組驗證，最后得出，當(dāng)參數(shù)：K1=12，Ti=40，TD=，系統(tǒng)比較完善，其仿真如下圖圖410 單回路MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖得出：調(diào)節(jié)時間t=9s，超調(diào)量σ%=4%, 靜態(tài)誤差e=可見，穩(wěn)態(tài)誤差沒有達到要求。 c+ |9 k7 L1 J( Y1 W串級控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質(zhì)的一種極為有效的控制方案。B BB B 具有較強的抗擾動能力 [1 s. Y0 o3 `! Z+ C2 r4 q2 D在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積愈大，則系統(tǒng)的抗擾動能力愈強，控制質(zhì)量愈好。第五章 全文總結(jié)本文介紹了雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計。3)通過仿真驗證了串級控制對干擾的強烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學(xué)習(xí)會有所幫助。在論文選題、論文寫作過程中，趙老師都多次與我討論，時常督促著我抓緊論文的進度。時光匆匆，轉(zhuǎn)眼間在母校度過了我的大學(xué)生涯。祝所有的老師培養(yǎng)出更多的優(yōu)秀人才！祝所有的同學(xué)在以后的人生道路上大展宏圖！畢業(yè)設(shè)計小結(jié) 通過此次畢業(yè)設(shè)計，我不僅把知識融會貫通，而且豐富了大腦，同時在查找資料的過程中了解了許多課外知識，開拓了視野，使自己在專業(yè)知識方面和動手能力方面有了質(zhì)的飛躍。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了自己原來知識太理論化了，面對單獨的課題的是感覺很茫然。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。雖然這個設(shè)計做的也不太好，但是在設(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大收獲和財富，使我終身