基于实验参数的液位控制设计过程控制系统与仪表课程设计报告.docxVIP

电气及自动化课程设计报告题 目： 基于实验参数的液位控制设计 课 程： 过 程 控 制 系 统 与 仪 表 学生姓名： 学生学号： 年 级： 2014级 专 业： 自 动 化 班 级： 1班 指导教师： 机械与电气工程学院制2017年6月基于实验参数的液位控制设计机械与电气工程学院 自动化专业1 课程设计的任务与要求 1.1 课程设计的任务 对某一工程对象进行机理建模，应用MATLAB软件对给定的工程数据进行工程测试建模。具体要求为： ⑴ 参考相关资料，参照《过程控制系统》给出的单容储液槽液位数学模型的建立方法，应用机理法对某一工业生产过程建立数学模型。要求模型传递函数为：，写出建模的详细过程，并绘制出示意图。 ⑵ 按照下表给出的广义被控生产过程的液位阶跃响应实验结果，要求应用MATLAB软件绘制出其响应曲线。表1 液位阶跃响应实验结果t(s)01020406080100140y000.20.823.65.48.8t(s)180250300400500600y11.814.416.618.419.219.6 ⑶ 写出应用切线法建立数学模型的具体步骤。要求用计算机绘制其切线图形，并在图上做出详细标注。 ⑷ 写出广义对象传递函数。用计算机在同一图形界面下绘制出阶跃响应曲线和拟合后的曲线。 1.2 课程设计的要求 对所建立的被控对象（广义）数学模型，应用MATLAB软件，建立闭环控制系统模型，并进行工程整定的仿真。最终给出仿真结果和结论。具体要求为： ⑴ 以得到的对象数学模型为广义被控对象，在MATLAB中建立闭环控制系统仿真模型。至少用一种方法进行工程整定。要求给出整定过程中的模型及中间得到的图形数据。 ⑵ 写出具体的整定步骤和得到的整定参数。 ⑶ 根据整定参数，进行仿真验证。给出整定后的闭环控制系统仿真模型和阶跃响应曲线。 ⑷ 对研究过程所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论。2 设计方案制定 2.1 设计方案的选择 建立被控过程数学模型的方法一般有：机理建模、试验建模、混合建模。 机理建模是根据对象或是生产过程的内部机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程以及某些设备方程、化学反应定律等，从而得到对象的数学模型。这类模型通常称为机理模型。这种方法建立的模型的最大优点是具有非常明显的物理意义，模型具有很大的适应性，便于模型参数的调整。 试验建模是在机理建模难以建立的情况下，可以采用试验建模的方法得到对象的数学模型。试验建模针对所要研究的对象，人为地施加一个输入作用，然后用仪表记录表征对象特性的物理量随着时间变化的规律，得到一系列的试验数据或者是曲线。通过对曲线的分析获得必要的规律信息。混合建模将机理建模和试验建模结合起来就是混合建模。混合建模是一种比较实用的方法，它先由机理分析的方法提出数学结构模式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用试验的方法予以确定。单容水箱液位控制系统主要是实现对液位的控制，单容水箱有两个可以控制的变量，一个进水口的流量，另一个是出水口的流量。通过容积与流量的平横方程很容易建立数学模型。所以被控制过程建模采用机理建模。 2.2系统原理 图1液位控制系统 单回路控制系统是用一个控制器来控制一个被控参数，而控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统中的被控参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。3 液位控制系统的建模过程 3.1 被控对象的特性分析本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。由图2所示可以知道，单容水箱的流量特性：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。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。图2 单容水箱结构图 3.2 单容水箱的建模 这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。 如图2，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1 之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有 （3-1） 将式（2-1）表示为增量形式 （3-2） 式中，、、——分别为偏离某一平衡状