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单容水箱液位控制系统设计

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单容水箱液位控制系统设计公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-过程控制系统设计作业单容水箱液位控制系统设计学生姓名文强学号 *******任课教师陶珑院、系、中心专科部专业生产过程自动化提交日期 2015年 10 月日太原科技大学单容水箱液位控制系统设计摘要本论文以单容水箱为被控对象，给出了单闭环控制系统、串级控制系统和前馈反馈控制系统的设计方案，实现对水箱液位的控制。

本论文还针对每种控制系统，在Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真，得到仿真曲线，并且利用仿真曲线分析控制系统的性能，例如最大动态偏差、调节时间、衰减率和积分性能指标IAE等。

单闭环控制系统的设计包括P、I、PI 和PID的设计。

本文分别通过衰减频率特性法（理论整定法）和衰减曲线法（工程整定法）对控制器参数进行了整定。

本论文还通过比较各控制系统的仿真曲线和系统性能指标，对各种控制系统设计方案进行了比较，发现串级控制和前馈反馈控制可提高系统性能。

关键词： PID；串级；前馈反馈；参数整定；SimulinkDesign on Water Level Control in a TankAbstractThis thesis provides design methods ofsingle closed-loop control system,cascade control systemand feed forwardcontrol system about the controlled object a singlewater tank,and it achieves the goal of controlling level.For every kind of control system,simulation model is established by using simulation tool Matlab, simulation curves can analysis the performance ofcontrol system,such as the maximum percent overshoot,settlingtime,attenuation rate and IAE.The design ofsingle closed-loop controlsystemincludes designs of P,I,PIand PID.The controller parameter is tuned by frequency response of attenuation rate and the attenuation curve .All thecontrol design methods included are compared by simulation curves andperformance indexes and wefinally find that cascade control and feed forward controlare able to improvesystem’s perfo rmance.Keywords:PID；Cascade；Feedforward- feedback；Parameter tuning；Simulink目录摘要........................................................ ABSTRACT ..................................................... 1设计要求及内容............................................ 2单容水箱系统建模.......................................... 3单闭环控制系统设计........................................比例控制系统设计 ........................................积分控制系统设计 ........................................比例-积分控制系统设计 ...................................比例-积分-微分控制系统设计 .............................. 4串级控制控制方案设计...................................... 5前馈控制方案设计.......................................... 6实验室水箱实验报告........................................压力单闭环实验 ..........................................液位单闭环实验 ..........................................上水箱液位和流量组成串级实验............................前馈反馈控制实验 ........................................ 7总结...................................................... 参考文献..................................................... 附录.........................................................1设计要求及内容图 1 单容水箱液位控制系统单容水箱液位控制系统如题所示。

已知F=1000cm2，R=cm2。

调节阀为气关式，其静态增益3K=，液位变送器静态增益28cm/s mAv1mA/cmK=。

m(1)画出该系统的传递方框图；(2)对单容水箱、调节阀、液位变送器进行建模，理解F、R、Kv、Km的物理意义和量纲的关系。

(3)采用单闭环控制，分别设计P、I、PI、PID调节器，定义性能指标，对控制性能进行评价。

(定义哪些性能指标进行评价)(4)对PID参数进行整定，工程的方法和理论的方法；(5)设计串级和前馈控制系统，分析性能，并和单闭环进行对比。

(6)结合实物实验撰写实验报告。

说明：1)仿真工具采用Matlab2)本设计持续一个学期，答案不唯一，大家可以相互讨论，但每个人都要做设计。

3)在整个学期中，不定期的上交实验报告的电子版。

电子版命名方法为：学号+姓名.rar内分2个目录：\document用于存放文档；\simulation用于存放仿真文件；每次提交的时候，.2 单容水箱系统建模单容水箱系统的传递方框图如所示图 2单容水箱系统的传递方框图在任何时刻水位的变化均满足物料平衡方程1()i d o dH Q Q Q dt F=+- 其中i Q k μμ= o Q R= F 为水槽的横截面积，F=1000cm 2；k μ为决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；R 是与负载阀的开度有关的系数，在固定不变的开度下，R 可视为常数，R=cm 2；μ为调节阀开度，控制水流入量i Q ，由控制器LC 控制；Kv 为阀门静态增益，即当系统达到稳定时，阀门的增益，由于阀门为气关式，所以Kv 为“—”，即328cm /s mA v K =，可将阀门看成一个静态增益为v K 的一阶惯性环节；液位变送器静态增益Km 为仪表的输出范围/仪表的输入范围，假设液位变送器为线性仪表，则其可看成是一增益为 1mA/cm m K =的比例环节；d Q 为扰动，其值可根据具体情况而定。

假设扰动d Q 为常值，在起始的稳定平衡工况下，平衡方程式（2-1）变为00010()i d o Q Q Q F=+- 式（2-5）减式（2-1）得1()i o d H Q Q dt F∆=∆-∆ (2-(2-(2-(2-(2-(2-式（2-6）就是动态平衡方程式（1-1）的增量形式。

考虑水位只在其稳态值附近的小范围内变化，故可得以下近似o Q H ∆=于是式（2-6）可化为1()i d H Q H dt F ∆=∆ 如果各变量都以自己的稳态值为起算点，则可去掉上市中的增量符号，得1()i dH Q H dt F = Laplace 变换得：1()(())i sH s Q s F = 假设液位的初始值为016H cm =，代入数据得单容水箱系统的数学模型1()(())1000i sH s Q H s =- 被控对象传递函数为()0.3()()3001p H s G s Q s s ==+ 假设调节阀为一阶惯性环节，于是得单容水箱系统的传递函数方框图图 3单容水箱系统传递函数方框图(2-(2-(2-(2-(2-(2-3 单闭环控制系统设计3.1 比例控制系统设计图 4比例控制仿真图（1）、理论整定方法：广义被控对象为令0.2210.75s s m ϕ==，，根据频率特性法整定控制器的参数得''s (m ,)1(m ,)p p s s p s K M ωϕωπ=⎧⎪⎨=-⎪⎩ 则由式(3-1)解得s ω，再由'1(,)p p s s K M m ω=，可得到p K 理论整定值。

（2）、工程整定方法：采用衰减曲线法调整参数，令0.75ψ=，得系统衰减振荡曲线图 5系统衰减振荡曲线P=-200由系统衰减振荡曲线得由衰减曲线法参数整定公式可整定得到比例度δ、积分时间I T 和微分时间D T 的整定值，结果如所示： (3-1)y1y1y1 Ts表 1衰减曲线法参数整定计算表（3）、性能指标：在t=15s ，加入扰动35000cm d Q =，得到仿真曲线如附图1所示。

将波形数据通过“To Workspace”输出到Matlab 工作区进行计算，可得0.005δ=-时，该比例控制系统的性能指标如下：衰减率：0.7438ψ= 最大动态偏差： 残余偏差： 调节时间： 6s 绝对误差积分IAE ：结论：有差控制，对小的干扰由较好的抑制作用，能够在较短的时间内达到新的稳态值。

3.2 积分控制系统设计（1）、理论整定方法： 广义被控对象为令0.2210.75s s m ϕ==，，根据频率特性法整定控制器的参数得0''s (m ,)arctan 2p s s p s s S m πϕω⎧⎪=⎪⎨⎪=-+⎪⎩(3-2) 则由式(3-2)可解得s ω，再由0'p s s S =0S （积分速度），进而可计算出积分时间01I T S =理论整定值。

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单容水箱水位控制

单容水箱水位控制

单容水箱是一个自衡系统，自衡调节过程比较缓慢，液位很难达到预期值。

加入闭环调整后，系统的性能有所改善。

但是，实际过程中往往要求要求水箱系统超调小、响应快、稳态误差小。

并且要求水箱在一定扰动下，即出水阀门打开后，液位能够平稳、快速、准确地恢复到一个恒定值。

因此，在水箱液位控制过程中引入PID调节。

原理图：单容水箱液位闭环控制系统系统闭环结构框图：系统闭环机构框图电位器模型：通过杠杆原理将液面高度与电压的关系联系起来，且两者的关系为正比关系。

假设h 为液位的增量，u为电位器电压，则电位器传递函数为电动机及减速器模型：假设:Lα为电机电感，Rα为电枢电阻，iα为电枢电流，Eα为电枢反电势，C e为电枢反电势系数, ω为电机轴的角速度, J m为电机和负载的转动惯量, f m为电机和负载的黏性摩擦系数，M m为电机产生的主动力力矩，M e为负载力矩，C m为电机转矩系数，θ为电机轴转过角度，b 为调节阀开度增量。

电枢回路电压平衡方程：电动机轴上的转矩平衡方程：电磁转矩方程：整理得对上式取拉氏变换，设初始条件为零，得到电机传递函数为设减速器减速比为K S,则减速器传递函数为则电机及减速器传递函数为其中，调节阀与水箱模型假设: Q i为输入水流量的稳态值，q i为输入水流量的增量，Q0为输出水流量的稳态值，q0为输出水流量的增量，H为液位高度，H0为液位稳态值，S为水箱横截面积，R为流出端负载阀门的阻力即液阻(液位的变化量/出料流量的变化量)，K u为阀门流量系数。

假设初始时刻处于平衡状态: Q0=Q i，h=H0。

在dt时间内，水箱内水量变化为(q i-q0)dt=Sdh当调节阀压差不变时，有q i=K u b输出水流量Q与液位高度H的关系为，这是一个非线性关系式，在平衡点(H0,Q0)附近进行线性化，得整理得经整理得，系统的开环传递函数为假设K1=0.5，K2=1，K3=1，T2=0.5，T3=3，则系统开环传递函数为水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

单容水箱液位恒值控制系统设计报告

单容水箱液位恒值控制系统设计报告

过程控制系统课程设计专业：自动化设计题目：单容水箱液位恒值控制系统设计班级：学生姓名：学号：指导教师：分院院长：教研室主任：电气工程学院一、课程设计任务书1。

设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池,实现对高液位池液位高度的自动控制。

具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。

2。

设计要求1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC 作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。

2)PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量≤15%,稳态误差≤±0.1；调节时间ts≤10s；3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。

4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5）通过S7—200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试;6)分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7）设计完成后，提交打印设计报告.3。

参考资料1）邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京：机械工业出版社.20032）崔亚嵩主编。

过程控制实验指导书(校内）3)廖常初主编。

PLC编程及应用（第2版)。

北京:机械工业出版社.2007 4）吴作明主编。

工业组态软件与PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社.20074。

设计进度(2012年12月3日至2011年12月16日）时间设计内容2012年12月3日布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计2012年12月4日～2012年12月5日编制PLC控制程序，并上机调试；2012年12月6日～2012年12月7日利用MCGS组态软件建立该系统的工程文件2012年12月10进行MCGS与PLC的连接与调试日～2012年12月12日进行PID参数整定2012年12月13日～2012年12月14日系统运行调试,实现单容水箱液体定值控制2012年1月15日～2012年1月16日写设计报告书5。

文献翻译-单容水箱液位模糊控制系统设计

文献翻译-单容水箱液位模糊控制系统设计

英文翻译系别自动化系专业自动化班级学生姓名学号指导教师Single tank water level fuzzy control system designIn industrial process control, the amount usually charged with the following four kinds, namely, level, pressure, flow and temperature. Where in the liquid is not only common in industrial process parameters, and for direct observation, easy to measure. Level control is a common industrial process control, impact on production can not be ignored. For level control system, although the conventional PID control parameters fixed, it is difficult to ensure the control parameters of the system to adapt to changes and changes in working conditions, it is difficult to get the desired effect; fuzzy control parameters have not sensitive and robust and strong features . Single-tank liquid level control system with linearity, hysteresis, coupling characteristics, this paper for the study of the level system, the application of fuzzy control theory to control research.Single tank water system structureTank level control system consists of a single tank water system ontology and AD / DA data acquisition card and other components, allows the computer to set the level value by controlling the regulator, at the entrance of a regulator valve to control and maintain the water level does not change; valve at the outlet of the receiver D-A converter output signal directly controlled tank. Valves on the inlet and discharge control rely on typical self-balancing system.Fuzzy ControlFuzzy logic control referred to fuzzy control, based on fuzzy set theory, fuzzy linguistic variables and fuzzy logic of a computer-based digital control technology. In 1965, the United States LAZadeh founded the fuzzy set theory; 1973 he gives definitions and theorems related to fuzzy logic control. In 1974, the British EHMamdani first statement in accordance with the composition of fuzzy control fuzzy controller, and apply it to the control of boilers and steam engines, get the lab's success. This pioneering work marked the birth of fuzzy control theory.Birth control is fuzzy and the development of social science and technology and the need inseparable. With the rapid development of science and technology in all areas of the automatic control system to control the precision required response speed, system stability and the ability to adapt to increasingly high, the studied systems are increasingly complex. However, due to a number of reasons, such as the charged object or process nonlinear, time-varying, multi-parameter strong coupling between the larger random noise, the intricate mechanism of the process, a variety of uncertainties and imperfect means of in situ measurements, difficult to establish the mathematical model of controlled object. While conventional adaptive control techniques can solve some problems, but the scope is limited. Good manual control for complex effects that are difficult to establish the mathematical model of the controlled object, using the traditional control methods, including methods of modern control theory based control is often better than a practical experience of operating personnel carried out. Because one of the important features of the human brain is the ability to identify and fuzzy things, judgment, fuzzy means can often seem imprecise achieve precise purpose.Contains five main parts, namely: the definition of variables , fuzzy , knowledge , logic and anti- blur . Define a variable that is the situation and determine the procedures to be observed considering control actions, such as the general control problem , the input variables and output error E output error rate of change EC, and fuzzy control variables as inputs U will control the next state . Wherein E, EC, U collectively referred to as fuzzy variables . Fuzzy input value to an appropriate ratio value domain conversion , using colloquial process variables to describe the physical quantity measured , to find the value of the membership degree according to the relative value of the appropriate language , the colloquial variable called fuzzy subset . Including database and rule base knowledge of two parts, one related to the definition of fuzzy database provides data processing ; while the rule base is controlled by agroup of language rules describe the control objectives and strategies. Imitating fuzzy logic judgment under the concept of human beings, the use of fuzzy logic and fuzzy inference inference method to obtain fuzzy control signals. This part is the essence of the fuzzy controller . Defuzzification : Convert fuzzy inference value obtained for the explicit control signals as input value system.Fuzzy controller designFuzzy controller input and error rate of change of the error, the error e = r-y, the rate of change of error ec = de / dt, where, r and y are respectively the level setpoint and measured value. The exact value of the error and error rate of change in the amount of blur blur becomes E and EC, the further you can get E and EC fuzzy language collections. E and EC by the vague language subsets and fuzzy relationship matrix, decision-making based on fuzzy inference rules synthesis, controlled amount of U, the U de vague, converted to the exact amount u, the D-A converter control valve actuators generate action.Fuzzy controller, the input signal quantization error e is 8 level (NB, NM, NS, NO, O, PS, PM, PB); the rate of change of error ec and the output variable u is 7 quantization level (NB , NM, NS, O, PS, PM, PB); error e, and the error rate of change of the output variable u ec domain of [-6,6]. The error e, error change rate ec and output variables membership functions chosen triangular membership functions. Fuzzy control rules are based on fuzzy reasoning, in the design of fuzzy control rules, you should consider the completeness of the control rules, cross and consistency, should ensure that for any given input has a corresponding control rules work. If the error is negative big change, but also for the negative rate of change of the error is large, it is necessary to adjust the control amount being small, in order to ensure the expected systematic development. On the basis of summing up experiences and basic professional knowledge, get control rules (see Table 1), designed a total of 49 (7 × 7) of the Rules.ece NB NM NS O PS PM PB NB PS PS PS PS PM PB PB NM NS PS PS PS PM PM PB NS NM NS O O PS PM PM O NB NM NS O PS PM PM PS NB NM NS O O PS PM PM NB NB NM NS NS PS PS PB NB NB NM NS NS NS NSCommonly used methods of reasoning fuzzy control system CRI reasoning table method, CRI reasoning analytical method, Mamdani inference method and the consequent direct function method. This selection is a direct Mamdani inference method, first find the fuzzy relation R, then the amount calculated according to the input control and clarity. This selection of 49 (7 × 7) of control rules, the fuzzy rule table of conditional statements can be described, for example, if e = NB and ec = NB then u = PS. Corresponding fuzzy relationship: R1 = A1 × B1 × C1, where, A1 is a fuzzy set of E, B1 is a fuzzy set of EC, C1 is a fuzzy set of U; fuzzy matrix R can be integrated according to R.Fuzzy control, simplify the complexity of system design, especially for nonlinear, time-varying lag model does not fully control systems; does not depend on accurate mathematical model of the controlled object; take advantage of the system control law to describe the relationship between variables; no value but with fuzzy variables to describe the language type system, the fuzzy controller does not have to establish a complete mathematical model of the controlled object; fuzzy controller is an easy to control and master the ideal nonlinear controller has better robustness, flexibility, robustness and better fault tolerance.单容水箱液位模糊控制系统设计在工业过程控制中，被控量通常有以下4种，即液位、压力、流量和温度。

CAD单水箱液位控制系统设计资料

CAD单水箱液位控制系统设计资料

控制系统数字仿真与CAD实验设计单容水箱液位控制系统专业：自动化班级： 1301班姓名：钟思学号： 24号指导教师：李寿涛目录一、引言： (1)二、原理与建模 (1)1、原理 (1)2、建模 (2)三、设计/分析/论述 (2)1、对水箱液位控制原理图的设计分析 (3)2、PID控制的设计分析 (4)四、仿真实验/结果分析 (6)1、仿真实验 (6)2、校正设计 (7)五、结论 (9)参考文献： (9)摘要:根据自动控制系统工艺过程, 建立了“水箱系统”的液位控制的数字仿真模型, 利用Matlab 的Simulink 对该模型进行仿真并研究“水箱系统”在什么条件下可视为无静差系统。

仿真结果表明采用PI调节器“水箱系统”可以实现无静差，并且具有较好的动态过程控制,这对人们进一步研究相似的控制系统具有一定的参考价值。

关键词: 调节规律; Simulink ;液位控制；过程分析Abstract :According to the process of the automatic control system, the establishment of a digital simulation model of the tank system level control using Matlab Simulink simulation and study the model of the tank system "under what conditions can be treated as a non-static error system. The simulation results show that the PI regulator "tank system can achieve no static error, and has a good dynamic process control, further study of people similar to the control system has certain reference value.Key words : Rule adjusting ; Simulink ; liquid level control;Process analyzing正文：一、引言：在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。