双容水箱液位串级控制系统设计

摘 要

  在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。因为单回路控制系统无法克服液位控制系统中的一些问题，例如：大时延、非线性、容量滞后等。因此本设计为了克服上述问题设计串级控制，应对单回路控制系统无法解决的问题，并且对比单回路控制系统与串级控制系统的差异。

这次毕业设计是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用MATLAB/Simulink仿真技术，主调节器使用PID调节，副调节器使用P调节，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用机理法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用Simulink动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。进行参数整定以及各个参数的控制性能的比较，对得到的仿真曲线进行分析，总结参数变化对系统性能的影响。

关键词：液位控制,串级控制,PID控制,MATLAB/Simulink仿真

Abstract

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Keywords: Level, cascade control, PID control, MATLAB ,Simulink Simulation

目录

第一章. 绪论 1

1.1 问题的提出及研究意义 1

1.2 控制系统研究的意义 1

1.3 国内外研究现状和发展趋势 2

1.4 本次设计的主要工作 3

第二章. 被控对象模型的建立 4

2.1 过程控制系统建模方法 4

2.1.1. 机理建模方法 4

2.1.2. 实验法建模 5

2.2 水箱模型分析 5

2.2.1. 单容水箱数学模型的建立 5

2.2.2. 双容水箱数学模型的建立 6

2.3 确定被控参数及控制变量 7

第三章. 控制系统方案的设计 9

3.1 液位PID控制系统的设计 9

3.1.1. PID控制原理 9

3.1.2. PID控制器参数整定的方法 11

3.2 液位串级控制系统设计 12

3.2.1被控参数的选择 13

3.2.2控制变量的选择 13

3.2.3主副回路设计 13

3.2.4控制器的选择 14

3.2.5串级控制器参数整定方法 14

第四章. 控制系统仿真 16

4.1 MATLAB软件介绍 16

4.2 单回路控制系统仿真 18

4.2.1. 单回路无校正仿真 18

4.2.2. 单回路PID控制系统仿真 19

4.2.3. 单回路PID控制系统参数整定 19

4.2.4. PID参数导致的性能变化 21

4.3 串级控制系统的仿真 24

4.4 含有噪声的控制仿真 26

4.4.1. 有噪声单回路PID控制仿真 26

4.4.2. 含有噪声的串级控制仿真 27

参考文献 29

致 谢 30

毕业设计小结 31