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基于MATLAB的三容水箱液位串级控制系统的设计

毕业论文

1绪论 .............................................................. 1 1.1过程控制概述 .................................................... 1

1.1.1过程控制的特点 ......................................... 1 1.1.2工业过程控制的发展概况 ................................. 2 1.1.3过程计算机控制系统 ..................................... 2 1.2液位串级控制系统概述......................................... 4

1.2.1串级控制系统基本概念即组成结构 ......................... 4 1.2.2 系统特点及分析......................................... 4 1.3 MATLAB软件介绍.............................................. 5

1.3.1 MATLAB系统组成 ........................................ 5 1.3.2 基于MATLAB的数值处理.................................. 6

2被控对象建模 ...................................................... 7

2.1 试验法简介 .................................................. 7 2.2 实验步骤介绍 ................................................ 8 2.3 水箱数据采集方法介绍： ...................................... 9

2.3.1 上水箱阶跃响应参数测定：............................... 9 2.3.2 中水箱阶跃响应参数测定：............................... 9 2.3.3下水箱阶跃响应参数测定： .............................. 10 2.4 数据拟合与水箱传递函数求取 ................................. 10

2.4.1求取上水箱模型传递函数 ................................ 10 2.4.2求取中水箱模型传递函数 ................................ 12 2.4.3求取下水箱模型传递函数 ................................ 13

3 控制系统设计及仿真............................................... 16

3.1 控制系统的选择 ............................................. 16 3.2 PID控制简介................................................ 17

3.2.1 比例（P）控制......................................... 17 3.2.2 积分（I）控制......................................... 18 3.2.3 微分（D）控制......................................... 18 3.3 PID控制器参数整定.......................................... 18 4.控制系统仿真..................................................... 20

4.1 阶跃响应性能 ............................................... 20

1

4.1.1 加入副回路的仿真...................................... 20 4.1.2 去除副回路的仿真...................................... 21 4.2 加入扰动 ................................................... 22 5.过程仪表控制与计算机控制......................................... 25

5.1 仪表控制系统概述 ........................................... 25 5.2 过程仪表介绍 ............................................... 25

5.2.1 检测部分.............................................. 25 5.2.2 执行机构.............................................. 26 5.2.3 控制器............................................... 27 5.3 计算机过程控制系统 ......................................... 28

5.3.1 远程计算机控制系统概述................................ 28 5.3.2 MCGS组态软件概述 ..................................... 28 5.3.2 MCGS组态软件的特点 ................................... 29 5.4 计算机控制与过程仪表控制比较 ............................... 30 6结论 ............................................................. 32 致谢............................................................... 33 参考文献........................................................... 34 附录：英文资料及译文............................................... 35

1. 英文资料 .................................................... 35 2. 译文 ........................................................ 43

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1绪论

1.1过程控制概述

1.1.1过程控制的特点

过程控制是通过各种检测仪表、控制仪表（包括电动仪表和气动仪表，模拟仪表和智能仪表）和电子计算机（看作一台仪表）等自动化技术工具，对整个生产过程进行自动检测、自动监督和自动控制。一个过程控制系统是由被控过程和过程检测仪表两部分组成的。过程检测控制仪表包括检测元件、变送器、调节器（包括计算机）、调节阀等。过程控制系统的设计是根据工业过程的特性和工艺要求，通过选用过程检测控制仪表构成系统，再通过PID参数的整定，实现对生产过程的最佳控制。过程控制有以下特点：

（1）它是连续生产过程的自动控制。过程控制一般是指连续生产过程的自动控制，其被控量需定量的控制，而且应是连续可调的。

（2）被控过程是多种多样、非电量的。在现代工业生产中。工业控制很复杂。由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品多种多样，因此过程控制中的被控过程是多种多样的。它们的动态特性多数具有大惯性、大滞后、非线形特性。有些机理复杂的过程至今尚未被人们所认识，所以很难用目前过程辨识方法建立精确的数学模型，因此设计能适应各种过程的控制并非易事。

（3）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。由于被控过程具有大惯性、大滞后（大时延）等特性，因此决定了过程控制的控制过程多属慢过程。

（4）过程控制方案十分丰富。随着现代工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂对控制过程的要求越来越高。过程控制的系统设计是以被控过程的特性为依据的。由于工业过程的复杂多变，因此其特性多半属多变量、分布参数、大惯性、大滞后和非线形等等。

（5）定值控制是过程控制的一种常用形式。在石油、化工、电力、冶金等现代工业生产中，过程控制的主要目的在于消除或减小外界干扰对被控量的影响，使被控量能稳定控制在该值上，使工业生产能实现优质、高产和低消耗的目标。 三容水箱液位定值控制系统是一种重要的过程控制，在石油、化工、冶金等工业领域有广泛的应用。它对液位设定值，利用串行控制系统，使下水箱液位保