【正文】 在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，很多場(chǎng) 合都要對(duì)液位進(jìn)行控制，使其高精度、快速度地到達(dá)并保持給定的數(shù)值。 1）模型準(zhǔn)備 了解問(wèn)題的實(shí)際背景，明確其實(shí)際意義，掌握對(duì)象的各種信息。 雙容水箱 數(shù)學(xué)模型的建立 雙容液位過(guò)程如下所示： 圖 22 兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，流量 Q1只與容器 1 的液位 h1 有關(guān)，與容器 2 的液位 h2 無(wú)關(guān)。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定 PID 參數(shù)。 (4)積分項(xiàng)改進(jìn)的數(shù)字 PID 控制 在一般的 PID 控制中，當(dāng)存在較大的擾動(dòng)和大幅度給定值變化時(shí)，此時(shí)有較大的偏差，由于系統(tǒng)的慣性和滯后，如果施加積分控制，往往會(huì)導(dǎo)致超大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)節(jié)時(shí)間。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。 由于申級(jí)控制系統(tǒng)具有上述特點(diǎn)，所以當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)且頻繁，負(fù)荷變化大，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量的要求時(shí)，采用串級(jí)控制系統(tǒng)是適宜的。對(duì)兩步整定法進(jìn)行簡(jiǎn)化，在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不再變動(dòng)，然后按照一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。 單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)的比較 經(jīng)過(guò)上面單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)的最終數(shù)據(jù)的比較，我們可 以看出 串級(jí)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。在論文選題、論文寫(xiě)作過(guò)程中， 趙老師 都多次與我討論， 時(shí)常督促著我抓緊論文的進(jìn)度。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識(shí)必須通過(guò)應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)太理論化了，面對(duì)單獨(dú)的課題的是感覺(jué)很茫然。 3)通過(guò)仿真驗(yàn)證了串級(jí)控制對(duì)干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過(guò)程中也熟悉了控制系統(tǒng)中 MATLAB 仿真的基本方法，相信對(duì)以后的學(xué)習(xí)會(huì)有所幫助。 B． 保持 P、 D 參數(shù)為定值，改變 I 參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下： 參數(shù)： K1=12， Ti=10， TD= 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 圖 46 單回路 MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形 圖 參數(shù)： K1=12， Ti=1， TD= 圖 47 單回路 MATLAB仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 比較不同 I 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著 Ti 的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差增大，衰減率減小，振蕩頻率增大。逐步逼近法是一種依次整定主回路、副 回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。因此，一組調(diào)節(jié)器參數(shù)只能適應(yīng)一定的負(fù)荷和操作條件。 I積分時(shí)間在 PID控制系統(tǒng)中起著消除靜差的作用， I值越短積分在控制系統(tǒng)中的作用越強(qiáng)， I 的各個(gè)分段值應(yīng)根據(jù)對(duì) PID 控制系統(tǒng)的被調(diào)參量的波動(dòng)范圍確定。同時(shí)，對(duì)于一些系統(tǒng) ，由于控制對(duì)象的復(fù)雜性、變化性，難以運(yùn)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行整定。該方法與臨界比例度法類似，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn) 10:1 的衰減過(guò)程為止，記下此時(shí)比例帶以及相鄰波峰之間的時(shí)間。 機(jī)理法 用機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫(xiě)出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；動(dòng)量平衡方程；相平衡方程以及反映流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程；物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。建立教學(xué)模型的過(guò)程，是把錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化、抽象為合理的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的過(guò)程。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。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。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?？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)。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，比如，民用水塔供水，如果水位太低，則會(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水進(jìn)水，如果排水或者進(jìn)水控制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過(guò)低，會(huì)使鍋爐過(guò)熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。建立了 串級(jí) 液位控制算法。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。 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。 而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物上。如在化工生產(chǎn)過(guò)程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性及快速性直接影響到成品的質(zhì)量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對(duì)爐窯的使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，則會(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過(guò)低，會(huì)使鍋爐過(guò)熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述問(wèn)題。容器 2 的液位也不會(huì)影響容器 1的液位，兩容器無(wú)相互影響。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用 Astrom和 Hagglund 提出的繼電反饋法。特別是對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過(guò)程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副 過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。 、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副 調(diào)節(jié)器起的作用不同。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)采用一步整定法。由于在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，所以具有以下一些特點(diǎn)： 7 \ l O* {39。 碰到問(wèn)題 老師 給予我的不是現(xiàn)成的答案而是尋求答案的思路和方法，讓我在完成一篇畢業(yè)論文的過(guò)程中得到的不僅是知識(shí)上更是思維上的突破。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在沒(méi)有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的大概總結(jié)，但是真的面對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的想法基本是錯(cuò)誤的 ,畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。 2）基本掌握了簡(jiǎn)單系統(tǒng)模型的 PID 參數(shù)整定方法，對(duì) PID 調(diào)節(jié)器中的 P、I、 D 各個(gè)參數(shù)的功能、特性有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。 A． 保持 I、 D 參數(shù)為定值，改變 P 參數(shù)，階躍響應(yīng)曲線如下： 參數(shù)： K1=7， Ti=， TD= 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 圖 44 單回路 MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 參數(shù)： K1=2， Ti=， TD= 圖 45 單回路 MATLAB 仿真階躍響應(yīng)曲線波形圖 比較不同 P 參數(shù)值下系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線可知，隨著 K 的減小，最大動(dòng)態(tài)偏差減小，余差增大，衰減率增大，振蕩頻率減小。 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)器參數(shù)是在一定的負(fù)荷，一定的操作條件下，按一定的質(zhì)量 ,指標(biāo)整定得到的。其基本思想為：同一 PID 控制回路提供兩套以上 P、 I、 D 參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的 PID參數(shù)。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 。 控制系統(tǒng)的 PID參數(shù)整定 (1)衰減曲線法。 本設(shè)計(jì)采用機(jī)理法進(jìn)行建模。 數(shù)學(xué)建模的過(guò)程 應(yīng)用數(shù)學(xué)去解決各類實(shí)際問(wèn)題時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型是十分關(guān)鍵的一步，同時(shí)也是十分困難的一步。 光線在兩種介質(zhì)的分接口將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象。對(duì)于此類問(wèn)題，傳統(tǒng)的 PID 控制方式顯得無(wú)能為力。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。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。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 超調(diào)量≤ 5% 穩(wěn)定時(shí)間＜ 30S 穩(wěn)態(tài)誤差 =0 四、進(jìn)度和要求 13 周：收集查閱資料； 46 周：完成總體方案設(shè)計(jì)和建模； 78 周：完成系統(tǒng)分析和控制規(guī)律設(shè)計(jì)； 911 周：完成仿真驗(yàn)證及修改； 1213 周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 . 五、主要參考書(shū)及參考資料 [1] 王再英 ,劉懷霞 .過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 [M]. 北京：人民郵電出版社 , [2] 胡兵 .過(guò)程控制 [M].上海： 機(jī)械工程出版社 , [3] 胡壽松 .自動(dòng)控制原理 [M].北京 :機(jī)械工程出版社 , [4] 盧京潮 .自動(dòng)控制原理 [M]. 北京：人民郵電出版社 , [5] 劉永信，陳志梅 .現(xiàn)代控制理論 [M].北京 :北京大學(xué)出版社 , 學(xué)生 凸凸 指導(dǎo)教師 系主任 ___________ 設(shè)計(jì) 論文 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 I 摘 要 過(guò)程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，它是指對(duì)液位、溫度、流量、等過(guò)程變量進(jìn)行控制，在冶金、機(jī)械、化工、 電力等方面得到廣泛應(yīng)用。雖然 PID控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法。 液位控制設(shè)計(jì)依賴的自動(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。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。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。 在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對(duì)象，液位為控制量。 2）模型假設(shè) 根據(jù)實(shí)際對(duì)象的特征和建模的目的，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，并用精確的語(yǔ)言提出一些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。 由于兩容器的流出閥均為手動(dòng)閥門，故有： Qi Q1 =A1 dtdh1 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 Q1 Q2 =A2 dtdh2 其對(duì)應(yīng)的拉式變化為 Qi (s)Q1 (s)=A1 sh1 (s) （ 21） Q1 (s)Q2 (s)=A2 sh2 (s) （ 22） 令容器 容器 2相應(yīng)的閥門液阻分別為 1R 和 2R ,其中 Q1 (s)=11 )(Rsh （ 23） Q2 (s)=22 )(Rsh （