基于Matlab和Simulink可视化水箱系统控制

摘 要

  随着工业生产的快速发展，工业上离不开可视化水箱的液面控制系统。本设计主要是设计可视化水箱的控制系统，在研究设计过程中，PID控制策略不但使设计控制算法更加的方便，同时又足以有效的满足设计需要，因此本篇研究选择了PID控制。本论文目的是设计可视化水箱系统控制，设计时充分利用了自动控制原理，过程控制以实现对水箱液位的控制。本设计主要内容有对水箱的实验曲线分析以及确定其特性，对MATLAB进行概括，其次了解过程控制的定义目的以及特点，然后依据可视化的水箱控制模型以及受控过程属性来更好的设计出PID调节器，进而操控系统仿真。通过参数的不同设置得到不同的控制结果，证明提高系统性能的有效性最好的办法是加入串级控制。通过MATLAB来构建一个较为完善的液位控制体系，调节器使用PID控制，构建水箱液位控制系统的数学模型再设计出水箱的控制系统，选择合适的PID算法。对所得到的仿真曲线进行分析，得出最优化的仿真参数及各个参数的控制性能，然后就参数变动对系统性能的影响进行一定的归纳总结。
关键词：可视化水箱系统控制；串级控制；过程控制；MATLAB仿真；PID控制；

一、水箱液位控制系统原理

3.1人工控制和自动控制的比较

  水箱的液位控制体系的示意图详见下图3-1，在手动控制的图示中，为控制水箱的液位使其保持不变，需要随时观察水箱液位的高度变动情况，以便更好的掌控不同液位水箱的净水量。第一步是眼睛观察好水箱的实际液位水平，然后传输到大脑；第二步是大脑对比人眼所观察到的不同液位高度，得出系统的偏差程度以及对应的方位，接下来发出相应的操控指令；最后，大脑控制手部去控制对应的进水阀门，从而将水箱的液体水位维持在一定的高度。在全部的过程中，眼睛、大脑和手所起的作用依次是检测、作出正确的判断以及执行相应的命令，三者分工协作共同完成测量、偏差计算、偏差纠正的工作，最终使水箱的水位维持在同一高度。

图3-1水箱液位控制系统示意图
  如果采用检测仪表装置和自动控制装置，在水箱液位控制系统的自动控制展示图3-1中，当系统受到一定程度的干扰之后，液体水位就会产生相应的变化，检测仪表仪器检测到液体水位具体水平，即测量值；液体水位测量变送器传输相应的信号至对应的控制器，和事先设置好的数值进行对比，然后获得偏差信号，再根据一定的数学法则开展相应的计算，与此同时输出相应的控制信号；当控制阀门接收到控制器的操控信号之后变更对应阀门的开合程度，从而调节水箱的进水量，进而让被控变量，也就是让水箱的液位恢复到事先设置好的数值中来，尽可能的减小系统扰动所带来的影响，使得水箱液位最终达到恒定。

3.2水箱液位控制系统原理框图

  本论文对可视化水箱系统液位控制的设计是一个简单的控制系统，所谓简单的液位控制系统是这样的一个单闭环负反馈控制系统：它的主要构成是控制器、执行器、受控目标、检测变送单元，它们的数量都为一。简单控制系统由被控对象、检测设备、控制器以及执行器构成。虽然控制系统的受控目标、具体设备以及变量有所不一，但是都可用相同的流程图来表示，具体如下图3-2：

图3-2 简单控制系统常用的框图
根据图3-2这个简单控制系统经常使用的的框图来制作出来水箱液位控制系统的工作原理流程图，详见下图3-3：

图3-3 水箱液位控制系统原理框图

二、PID控制简介及其整定方法

4.1 系统主程序流程图的设计

  现代自动化控制技术是建立在反馈的基础上的。反馈的三大要素是，第一步进行测量，第二不是对比，最后是实施。测量针对的是变量，比较是根据测量量与期望值进行对比，执行是根据比较结果进行一系列操作，进而完成控制。在自动控制过程中依据反馈理论对系统做出正确的检测然后比较最后完成系统的纠正调节。PID控制即比例积分微分控制，在工业生产的控制过程中，几乎所有的控制回路都有PID的结构，而且在更高级的控制系统中也是PID控制为基础进行研究。
如图4-1所示为PID控制系统的原理图，是由PID控制器和控制对象构成的一个比较简便的负反馈控制体系。

图4-1 单位负反馈控制系统
PID控制器是一种会按照给定值r(t)和现实输出值c(t)形成一定偏差的线性控制器。

三、双容水箱液位控制系统设计

5.1 双容水箱结构

  双容水箱的液位系统结构图如图5-1所示，结构图中水泵数量为2个，它们分别对应两个支路，在系统运行时，它们会各自为较为上方的水箱供水，其中水泵1的支路会装设一个调节阀，保持下水箱液位恒定；第二支路设置变频器，通过变频器对下水箱液位起到干扰作用。

图5-1 双容水箱结构图
已知上下水箱的传递函数分别为：

  在设计双容水箱系统时需要满足以下三个基本条件：第一个是先描绘出系统的结构功能图，画出对应元件，进而完成系统在两个不同条件下的仿真，分别存在干扰以及不存在干扰的条件下。求系统框图简洁明了，且系统要能体现在有干扰和无干扰两种作用下的过程仿真；二是要求设计单回路控制，画出控制系统方框图，在控制系统有无干扰情况仿真，其中 PID 参数的整定要求写出整定的依据；三是对施加干扰作用的液位完成以串联方式进行对其控制，在原来的结构图上增添水箱控制系统的结构功能图，进而输入参数完成对其仿真，对实验结果进行对比分析，进而对其进行总结。

5.2 MATLAB设计系统分析

  机理法和测试法是控制系统建模常用的两种基本方法。本设计建模时我们已知双容水箱的数学模型，且主要的生产过程也被大量掌握，所以采用机理法。测试法是在工业过程中对输入输出进行数学处理。
以串联方式所控制的双溶液位结构图可参考下图5-2：

图 5-2串级控制的双容液位过程
  由图5-2两个水箱的流出阀都是人工手动阀门，系统流量仅仅与容器1的液位相关，流量与容器2的液位没有关系，跟其他物理量也无关；容器2的液位也不会受容器1的液位所影响。设时间常数，通过计算可得到该过程的传递函数为：

  由上述结果可知，当容器2的液位产生改变时，容器1的液位不会受其影响，相反，当容器1的液位发生改变时，容器2的液位也会随之改变。水箱液位变化系统的传递函数计算方法如下：两个容器在独自完成工作前提下计算出所对应的传递函数，进而将两者进行乘积，但系统运行过程中的增益量是将其缩小倍。
  对水箱控制的系统所具有的传递函数由二阶惯性环节组成，其等价于两个通过串联方式所连接的一阶平衡系统。系统反应的快慢取决于系统中的时间常数大小，时间常数越大，容器面积较大，则反应较慢，时间常数越小则系统对输入的反应越快。该过程是两个一阶环节的串联，那么它们的过程等效时间常数T正常情况下会大于，其与相对单调的一阶环节相比，此系统的响应过程耗时较长。因此，两个容器之间不会产生影响的双容系统一般由两个环节组成，分别是纯滞后环节以及一阶惯性环节，
  在该液位控制系统中，水流量Q是系统的控制量，PID作为系统的控制器，上、下水箱液位是被控制器控制的被控量，控制阀是最后的执行器，相当于人工控制的手。

  在单位阶跃的条件下启动大概10s后，施加白噪声使得水箱液位稳定，白噪声均值为0、方差为0.01，此过程时对系统引入干扰信号。要得到良好的实验效果，需要选取单闭环控制系统，并且设置不同的PID参数,这种情况下系统运行过程时的液位的稳定性会有一定程度的提高，同时，外部干扰对系统的影响也不大。通过单闭环系统的运用，完成透明水箱系统的制作，当外部扰动对系统的影响较大时，其对传输路径包括系统的控制通路，此时扰动量将会得到延迟效果，因此，控制器的相应过程也会相对延迟，此时理论上预期的一样控制效果就会发生改变。实验中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送给PID控制，PID可以通过将系统水位的实际值与设定值进行比较，进而输出对应的信号，完成对控制阀的控制，进而改变系统所注入的水量，完成水位调节。在实际工业控制工程中，干扰一旦出现，PID参数无论如何调整，都不会达到最初设计的效果。但是串级控制有一个优点就是可以提前预见某些对系统来说主要的干扰，提前对水箱施加对其控制的输入信号，进而通过单位负反馈系统的引入，了解系统水位信息，进而产生水位信号，传输到副控制器中，此时控制阀将会受到命令进而动作。

四、结论

  本次毕业设计的经历，让我得以通过实践去巩固与深化过程控制系统仿真的相关专业知识，在对水箱进行Matlab仿真时，虽然过程中遇到了许多问题，比如Matlab应用的不熟练，导致模块找不到，PID参数设置不合理，主、副回路设计不好等。然而在锲而不舍的分析、修改与检查中，我终于设计出了比较满意的仿真。实践是检验真理的唯一标准，只有通过亲自动手实验，才会发现理论和实际是存在误差的，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。  
通过这次的毕业设计，我深刻地明白许多知识看上去简单，但是当自己亲身经历去操作时，跟想象的并不一样。在对水箱系统控制的过程中，不断地设计，不断地尝试，不断发现错误，不断地检验，最终调试验证结果。在设计中遇到了很多问题，首先，可能是自己一开始对书本知识学习的不够扎实，做仿真期间碰到了许多问题，最难的是遇到问题时不知所措；也有可能是我解决问题的全面性不够完美，因为之前涉及Matlab这块比较少，再加上缺少经验的累积，所以在处理仿真参数中的问题时，不知如何下手。在对相关的资料进行查阅、梳理、总结与学习的过程中，我除了巩固已有的知识体系外，还学习到不少新的内容，这让我能够以知识理论为切入点，对水箱液位过程控制系统进行更深入的研究。在以后的工作中，我将更加注重理论与实践的统一性，把握二者的平衡尺度，这对我未来的发展而言具有深远意义。

五、 目录

目 录

插图清单 I
摘 要 II
Abstract III
第1章 控制系统仿真描述 - 1 -
1.1 系统控制仿真 - 1 -
1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真  - 1 -
第2章 过程控制简介 - 2 -
2.1过程控制定义 - 2 -
2.2 过程控制目的 - 2 -
2.3 过程控制特点 - 2 -
2.4 过程控制发展与趋势 - 2 -
第3章 水箱液位控制系统的原理 - 4 -
3.1人工控制和自动控制 - 4 -
3.2水箱液位控制系统原理框图 - 4 -
3.3水箱液位控制系统数学模型 - 5 -
3.4 水箱液位控制系统的组成 - 7 -
第4章 PID控制简介及其整定方法 - 9 -
4.1 系统主程序流程图的设计 - 9 -
4.2 PID 调节的各个环节及其调节过程  - 10 -
第5章 双容水箱液位控制系统设计 - 12 -
5.1 双容水箱结构 - 12 -
5.2 MATLAB 设计系统分析  - 12 -
5.3双容水箱液位控制系统设计 - 14 -
5.4 MATLAB设计内容 - 14 -
结论和展望 - 23 -
致 谢 - 25 -