【正文】 水箱液位定值控制系統(tǒng)是一種重要的過程控制，在石油、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
（5）定值控制是過程控制的一種常用形式。過程控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以被控過程的特性為依據(jù)的。
（4）過程控制方案十分豐富。
（3）過程控制的控制過程多屬慢過程，而且多半為參量控制。它們的動(dòng)態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大滯后、非線形特性。工業(yè)控制很復(fù)雜。
（2）被控過程是多種多樣、非電量的。過程控制有以下特點(diǎn)：
（1）它是連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。過程檢測控制儀表包括檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括計(jì)算機(jī)）、調(diào)節(jié)閥等。 model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I design the cascade control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system and design the cascade control system ，according to the model of controlled object and characteristic of controlled progress,jioning the modulator of the meantime,by paring the control system functions,I validate the effects of cascade control system on accelerating system puter control technology develops at a high speed, configuration technology is regarded and used, which can solve so many problems of traditional industrial control software that users can configure at will to finish their automatic projects according to their object and goal.Keywords：liquid level，cascade control ,PID modulator，system simulation. 目錄1緒論 1 1 1 2 2 4 4 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 4 MATLAB軟件介紹 5 MATLAB系統(tǒng)組成 5 基于MATLAB的數(shù)值處理 62被控對(duì)象建模 7 試驗(yàn)法簡介 7 實(shí)驗(yàn)步驟介紹 8 水箱數(shù)據(jù)采集方法介紹： 9 上水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定： 9 中水箱階躍響應(yīng)參數(shù)測定： 9： 10 數(shù)據(jù)擬合與水箱傳遞函數(shù)求取 10 10 12 133 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 16 控制系統(tǒng)的選擇 16 PID控制簡介 17 比例（P）控制 17 積分（I）控制 18 微分（D）控制 18 PID控制器參數(shù)整定 18 20 階躍響應(yīng)性能 20 加入副回路的仿真 20 去除副回路的仿真 21 加入擾動(dòng) 22 25 儀表控制系統(tǒng)概述 25 過程儀表介紹 25 檢測部分 25 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 26 控制器 27 計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng) 28 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 28 MCGS組態(tài)軟件概述 28 MCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn) 29 計(jì)算機(jī)控制與過程儀表控制比較 306結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄：英文資料及譯文 351. 英文資料 352. 譯文 431緒論 過程控制是通過各種檢測儀表、控制儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī)（看作一臺(tái)儀表）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。s cascade control system of the design makes full use of the automatic indicator technique ﹑the puter technique﹑the munication technique and the automatic control technique in order to realize cascade control of water tank39。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，組態(tài)技術(shù)開始得到重視與運(yùn)用,它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。然后，根據(jù)被控對(duì)象模型和被控過程特性并加入PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。本論文的目的是設(shè)計(jì)三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中充分利用自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文) 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 課 題 基于MATLAB的三容水箱液位串級(jí) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 基于MATLAB的三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控量之一，因而液位控制的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。水箱的液位控制對(duì)石油、冶金、化工等行業(yè)來說必不可少。首先對(duì)被控對(duì)象的模型進(jìn)行分析，并采用實(shí)驗(yàn)建模法求取模型的傳遞函數(shù)。同時(shí)，通過對(duì)實(shí)際控制的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了串級(jí)控制對(duì)提高系統(tǒng)性能的作用。 關(guān)鍵詞：液位，串級(jí)控制，PID調(diào)節(jié)器,系統(tǒng)仿真AbstractLiquid level is one of important controlled variables in industrial process, so research on it has great realistic purpose of this thesis is to design the liquid level39。s , I carry out the analysis of the controlled objects39。一個(gè)過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測儀表兩部分組成的。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)工業(yè)過程的特性和工藝要求，通過選用過程檢測控制儀表構(gòu)成系統(tǒng)，再通過PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的最佳控制。過程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，其被控量需定量的控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品多種多樣，因此過程控制中的被控過程是多種多樣的。有些機(jī)理復(fù)雜的過程至今尚未被人們所認(rèn)識(shí)，所以很難用目前過程辨識(shí)方法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此設(shè)計(jì)能適應(yīng)各種過程的控制并非易事。由于被控過程具有大慣性、大滯后（大時(shí)延）等特性，因此決定了過程控制的控制過程多屬慢過程。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝條件越來越復(fù)雜對(duì)控制過程的要求越來越高。由于工業(yè)過程的復(fù)雜多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線形等等。在石油、化工、電力、冶金等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，過程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在該值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低消耗的目標(biāo)。它對(duì)液位設(shè)定值，利用串行控制系統(tǒng)，使下水箱液位保持在該值，并跟隨此給定值，抵抗擾動(dòng)。自本世紀(jì)30年代以來，伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟，自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度，液位，壓力，流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過程。之后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識(shí)，以極大值和動(dòng)態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計(jì)所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時(shí)變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)今工業(yè)自動(dòng)化己進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)（CIPS）時(shí)代，并依托人工智能，控制理論和運(yùn)籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動(dòng)化的方向發(fā)展。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動(dòng)控制水平的重要指標(biāo)。由于計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快﹑精度高﹑存儲(chǔ)量大﹑編程靈活以及具有很強(qiáng)的通信能力等特點(diǎn)，目前以微處理器﹑單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器—過程計(jì)算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。當(dāng)計(jì)算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（PID）進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制作用。 （2）包括各種控制開關(guān)﹑數(shù)字鍵﹑功能鍵﹑指示燈﹑聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計(jì)算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 （4）I/O接口和I/O通道是計(jì)算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。模擬量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)過程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)）變換成二進(jìn)制代碼傳送給計(jì)算機(jī)；同時(shí)將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的控制。 （2）應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集﹑濾波程序﹑控制量計(jì)算程序﹑生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。在工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測量和控制。通過控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過程，即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 　　串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。 　　整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入了一個(gè)副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，而且又能改善過程特性。 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 　　 * 改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。 　　 * 提高了系統(tǒng)的工作頻率。 MATLAB軟件介紹MATLAB軟件是由美國MathWorks公司開發(fā)的，是目前國際上最流行、應(yīng)用最廣泛的科學(xué)與工程計(jì)算軟件，它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進(jìn)行許多科學(xué)研究的重要工具。新的版本集中了日常數(shù)學(xué)處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形生成等功能。 MATLAB提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是復(fù)數(shù)矩陣，在生成矩陣對(duì)象時(shí)，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應(yīng)用變得更加快捷和便利。利用它既可以進(jìn)行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計(jì)和算法實(shí)驗(yàn)的基本任務(wù)，也可以進(jìn)行大規(guī)模編程，開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。(3) 圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動(dòng)畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對(duì)圖形圖像等對(duì)象進(jìn)行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 (5) MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個(gè)函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用c程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動(dòng)態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。數(shù)學(xué)家感興趣的問題和其他科學(xué)家、工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題是不同。換句話說，能用某種方法獲得問題的解則是工程技術(shù)人員更關(guān)心的問題。數(shù)學(xué)問題的數(shù)值解法已經(jīng)成功地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。數(shù)據(jù)擬合成曲線的思想就是根據(jù)一組二維數(shù)據(jù)，即平面上的若干點(diǎn)，要求確定一個(gè)一元函數(shù)y = f(x)，即曲線，使這些點(diǎn)與曲線總體來說盡量接近，曲線擬合其目的是根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)去建立因變量與自變量之間有效的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系，為進(jìn)一步的深入研究提供線索。過程的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)，確定控制方案、分析質(zhì)量指標(biāo)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)等等的重要依據(jù)，所以過程數(shù)學(xué)模型是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和應(yīng)用的重要資料。在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們所關(guān)心的是如何控制好水箱的液位。上水箱、中水箱和下水箱為THJ2高級(jí)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中上、中、下三個(gè)個(gè)串接的有機(jī)玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲(chǔ)水箱負(fù)責(zé)供水與儲(chǔ)水。中水箱尺寸為：d=25cm，h=20cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個(gè)水箱分為三個(gè)槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。機(jī)理分析法建模又可被稱為數(shù)學(xué)分析法建模和理論建模。但是，由于很多工業(yè)過程其內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，對(duì)某些物理，化學(xué)過程目前尚不完全清楚，所以對(duì)這些較復(fù)雜過程的建模較為困難，再加之工業(yè)過程非線性因素的存在和一些不合理的人為假設(shè)，使得機(jī)理法建模在對(duì)較為復(fù)雜的過程建模時(shí)顯出弊端。顧名思義，試驗(yàn)法建模的主要特點(diǎn)是不需要深入了解過程的機(jī)理。 試驗(yàn)法簡介試驗(yàn)法建?？煞譃榧訉ｉT信號(hào)和不加信號(hào)兩種。不加專門信號(hào)既利用過程在正常操作時(shí)所記錄的信號(hào)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來求得過程的數(shù)學(xué)模型。所以，為了能得到精度較高的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)采用加專門信號(hào)的試驗(yàn)法。它的原理很簡單，在被控過程的輸入量作階越變化時(shí)，測定其輸出量隨時(shí)間變化的曲線，即得階