【正文】 照一定的方法得到被控過程的數(shù)學模型，而控制理論已有相關成熟的方案，即工程上普遍采用的階躍響應曲線法。此時，工程上普遍采用試驗法建模。對于一些簡單的被控過程建模可采用此法。 而建立過程數(shù)學模型的基本方法，一般來說有機理分析法和試驗法兩種。上水箱尺寸為：d=25cm,h=20cm。上水箱、中水箱和下水箱是系統(tǒng)的被控對象，必須通過測定和計算他們模型，來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)特性，為其他的設計工作提供依據(jù)。過程建模對于實現(xiàn)生產過程的自動化具有十分重要的意義。2被控對象建模 設計三容水箱液位過程控制系統(tǒng)必須先建立三容水箱的過程模型。而MATLAB語言就可以求解幾乎所有的數(shù)值問題，在本設計中就將運用它來對采樣數(shù)據(jù)進行插值擬合。而獲得這樣解的最直接方法就是通過數(shù)值解法技術。數(shù)學家往往對數(shù)學問題的解析解和解的存在性嚴格證明感興趣，而工程技術人員一般對如何求出數(shù)學問題的解更關心。 基于MATLAB的數(shù)值處理現(xiàn)代科學與工程的進展離不開數(shù)學。 (4) MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。 (2) MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱．包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調試、管理M文件的各種工具。 MATLAB系統(tǒng)組成(1) MATALB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣／數(shù)組語言．具有條件控制、函數(shù)調用、數(shù)據(jù)結構、輸入輸出、面向對象等程序語言特性。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項操作。MATLAB最早發(fā)行于1984年，經過10余年的不斷改進，現(xiàn)今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 。 　　 * 對負荷變化的適應性較強。 　　 * 能迅速克服進入副回路的二次擾動。副調節(jié)器具有“粗調”的作用，主調節(jié)器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。 　　前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標；后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。如果控制系統(tǒng)設計欠妥，會造成生產中對液位控制的不合理，導致原料的浪費﹑產品的不合格，甚至造成生產事故，所以設計一個良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產中有著重要的實際意義。通過液位的檢測與控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的數(shù)量，以便調節(jié)容器內的輸入輸出物料的平衡，保證生產過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當。在工業(yè)實際生產中，液位是過程控制系統(tǒng)的重要被控量，在石油﹑化工﹑環(huán)保﹑水處理﹑冶金等行業(yè)尤為重要。2．過程計算機系統(tǒng)的軟件部分： （1）系統(tǒng)軟件由計算機及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機本身資源，方便用戶使用計算機。I/O通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。 （3）通用外圍設備包括打印機﹑記錄儀﹑圖形顯示器﹑閃存等，它們用來顯示﹑存儲﹑打印﹑記錄各種數(shù)據(jù)。1．過程計算機系統(tǒng)的硬件部分： （1）由中央處理器﹑時鐘電路﹑內存儲器構成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部分，進行數(shù)據(jù)采集﹑數(shù)據(jù)處理﹑邏輯判斷﹑控制量計算﹑越限報警等，通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調工作。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經過A/D轉換器將其轉換為數(shù)字量，才能輸入計算機。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。現(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產過程也隨之日趨復雜，而對生產質量﹑經濟效益的要求，對生產的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護的要求卻越來越高。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機技術、控制技術、通訊技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，使工業(yè)自動化進入控制管理一體化的新模式。其后，串級控制，比值控制和前饋控制等復雜過程控制系統(tǒng)逐步應用于工業(yè)生產中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術和計算機技術開始應用于過程控制領域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設定值控制（SPC）。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分，普遍運用于石油，化工，電力，冶金，輕工，紡織，建材等工業(yè)部門。它只有一個控制變量，即下水箱液位，屬于單輸入、單輸出控制，通常把它組建為過程儀表控制系統(tǒng)或遠程計算機控制系統(tǒng)。
三容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)領域有廣泛的應用。
（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)設計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)控制很復雜。
（2）被控過程是多種多樣、非電量的。過程控制有以下特點：
（1）它是連續(xù)生產過程的自動控制。過程檢測控制儀表包括檢測元件、變送器、調節(jié)器（包括計算機）、調節(jié)閥等?；贛ATLAB的三容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文1緒論 1 1 1 2 2 4 4 系統(tǒng)特點及分析 4 MATLAB軟件介紹 5 MATLAB系統(tǒng)組成 5 基于MATLAB的數(shù)值處理 62被控對象建模 7 試驗法簡介 7 實驗步驟介紹 8 水箱數(shù)據(jù)采集方法介紹： 9 上水箱階躍響應參數(shù)測定： 9 中水箱階躍響應參數(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)設計及仿真 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 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)行機構 26 控制器 27 計算機過程控制系統(tǒng) 28 遠程計算機控制系統(tǒng)概述 28 MCGS組態(tài)軟件概述 28 MCGS組態(tài)軟件的特點 29 計算機控制與過程儀表控制比較 306結論 32致謝 33參考文獻 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（包括電動儀表和氣動儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子計算機（看作一臺儀表）等自動化技術工具，對整個生產過程進行自動檢測、自動監(jiān)督和自動控制。一個過程控制系統(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)的設計是根據(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成系統(tǒng)，再通過PID參數(shù)的整定，實現(xiàn)對生產過程的最佳控制。過程控制一般是指連續(xù)生產過程的自動控制，其被控量需定量的控制，而且應是連續(xù)可調的。在現(xiàn)代工業(yè)生產中。由于生產規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產品多種多樣，因此過程控制中的被控過程是多種多樣的。有些機理復雜的過程至今尚未被人們所認識，所以很難用目前過程辨識方法建立精確的數(shù)學模型，因此設計能適應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)生產的迅速發(fā)展，工藝條件越來越復雜對控制過程的要求越來越高。由于工業(yè)過程的復雜多變，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)生產中，過程控制的主要目的在于消除或減小外界干擾對被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定控制在該值上，使工業(yè)生產能實現(xiàn)優(yōu)質、高產和低消耗的目標。它對液位設定值，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。自本世紀30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產和科學發(fā)展中起著關鍵性的作用。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)結構大多是單輸入，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)定和消除主要擾動為控制目的過程。之后，以最小二乘法為基礎的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(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所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應用于解決過程控制生產中的非線性，耦合性和時變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎。現(xiàn)今工業(yè)自動化己進入計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學相結合的智能控制技術向工廠綜合自動化的方向發(fā)展。不僅如此，生產的安全性和可靠性，生產企業(yè)的經濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。由于計算機具有運算速度快﹑精度高﹑存儲量大﹑編程靈活以及具有很強的通信能力等特點，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)字調節(jié)器—過程計算機設備，正逐步取代模擬調節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。當計算機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）進行運算，計算結果再經D/A轉換器，將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。 （2）包括各種控制開關﹑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是人機對話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計算機向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)出報警信號。 （4）I/O接口和I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁。模擬量I/O通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對象的生產過程參數(shù)（標準電信號）變換成二進制代碼傳送給計算機；同時將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構的模擬信號，實現(xiàn)對生產過程的控制。 （2）應用程序由用戶根據(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﹑控制量計算程序﹑生產過程監(jiān)控程序），應用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能﹑精度和效率。在工業(yè)生產過程自動化中，常常需要對某些設備和容器的液位進行測量和控制。通過控制計算機可以不斷監(jiān)控生產的運行過程，即時地監(jiān)視或控制容器液位，保證產品的質量和數(shù)量。 　　串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調節(jié)閥。 　　整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。 在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。 系統(tǒng)特點及分析 　　 * 改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質量。 　　 * 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、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，它廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、計算機技術、圖形圖象處理、語音處理、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學工程和航天工業(yè)等各行各業(yè)，也是國內外高校和研究部門進行許多科學研究的重要工具。新的版本集中了日常數(shù)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。 MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結構是復數(shù)矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明，使得工程應用變得更加快捷和便利。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設計和算法實驗的基本任務，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應用程序。(3) 圖形圖像系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應用程序的各種工具。 (5) MATLAB應用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(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中調用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。數(shù)學家感興趣的問題和其他科學家、工程技術人員所關注的問題是不同。換句話說，能用某種方法獲得問題的解則是工程技術人員更關心的問題。數(shù)學問題的數(shù)值解法已經成功地運用于各個領域。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，要求確定一個一元函數(shù)y = f(x)，即曲線，使這些點與曲線總體來說盡量接近，曲線擬合其目的是根據(jù)實驗獲得的數(shù)據(jù)去建立因變量與自變量之間有效的經驗函數(shù)關系，為進一步的深入研究提供線索。過程的數(shù)學模型是設計過程控制系統(tǒng)，確定控制方案、分析質量指標，整定調節(jié)器參數(shù)等等的重要依據(jù)，所以過程數(shù)學模型是過程控制系統(tǒng)設計分析和應用的重要資料。在液位串級控制系統(tǒng)中，我們所關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高級過程控制實驗裝置中上、中、下三個個串接的有機玻璃圓筒形水箱，另有不銹鋼儲水箱負責供水與儲水。中水箱尺寸為：d=25cm，h=20cm；下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm，每個水箱分為三個槽：緩沖槽、工作槽、出水槽。機理分析法建模又可被稱為數(shù)學分析法建模和理論建模。但是，由于很多工業(yè)過程其內部機理較復雜，對某些物理，化學過程目前尚不完全清楚，所以對這些較復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，使得機理法建模在對較為復雜的過程建模時顯出弊端。顧名思義，試驗法建模的主要特點是不需要深入了解過程的機理。 試驗法簡介試驗法建?？煞譃榧訉ｉT信號和不加信號兩種。不加專門信號既利用過程在正常操作時所記錄的信號，進行統(tǒng)計分析來求得過程的數(shù)學模型。所以，為了能得到精度較高的數(shù)學模型，應采用加專門信號的試驗法。它的原理很簡單，在被控過程的輸入量作階越變化時，測定其輸出量隨時間變化的曲線，即得階越響應