铜陵学院毕业论文（初稿）论文题目：基于MATLAB液位控制系统研究与设计学科专业：自动化作者姓名：张荣___________________指导教师：完成时间：_一、论文题目基于MTLAB液位控制系统研究与设计二、论题观点来源：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。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
三、基本观点：液位串级控制系统的设计控制系统及工程实现的工作。
虽然是采用传统的串级PID 控制的方法，但是将利用数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。
四、论文结构：一．概述1.1液位串级控制系统介绍1.2 MATLAB软件介绍二．被控对象建模2.1水箱模型分析2.2阶跃响应曲线法建立模型三．系统控制方案设计与仿真3.1 PID控制原理3.2系统控制方案设计3.3控制系统仿真四．结论五．参考文献毕业论文（设计）工作中期检查表系别：班级：基于MTLAB液位控制系统研究与设计摘要：本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。
在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，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，并采用实验建模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，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。
然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。
最后，借助数据采集模块﹑设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。
关键词：液位模型 PID控制计算机过程控制系统一．概述1.1．液位串级控制系统介绍液位串级控制系统图在工业实际生产中，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。
通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。
通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。
如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。
在液位串级控制系统的设计中展开设计控制系统及工程实现的工作。
虽然是采用传统的串级PID控制的方法，但是将利用数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。
在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件，以下将对它们的主要内容进行说明。
1.2 MATLAB软件介绍MATLAB软件是由美国MathWorks公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象处理、语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究部门进行许多科学研究的重要工具。
MATLAB最早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出基于Windows 2000/xp的MATLAB 7.0版本。
新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。
在MATLAB环境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。
MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，该系统的基本数据结构是复数矩阵，在生成矩阵对象时，不要求作明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。
MATLAB系统由五个主要部分组成：(1)MATALB语言体系 MATLAB是高层次的矩阵／数组语言．具有条件控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。
利用它既可以进行小规模编程，完成算法设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。
(2)MATLAB工作环境这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称．包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。
(3)图形图像系统这是MATLAB图形系统的基础，包括完成2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLAB命令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令，以及开发GUI应用程序的各种工具。
(4)MATLAB数学函数库这是对MATLAB使用的各种数学算法的总称．包括各种初等函数的算法，也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。
(5)MATLAB应用程序接口(API) 这是MATLAB为用户提供的一个函数库，使得用户能够在MATLAB环境中使用c程序或FORTRAN程序，包括从MATLAB中调用于程序(动态链接)，读写MAT文件的功能。
MATLAB还具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱，以完成一些特定的任务。
MATLAB具有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB的控制系统工具箱(Control System Toolbox)提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB的系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）可以对控制对象的未知对象进行辨识和建模。
MATLAB的仿真工具箱（Simulink）提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。
它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。
二．被控对象建模在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。
被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。
被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。
在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位。
上水箱和下水箱是系统的被控对象，必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。
上水箱和下水箱为过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。
上水箱尺寸为：d=25cm,h=20cm;下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm，每个水箱分为三个槽：缓冲槽、工作槽、出水槽。
2.1水箱模型分析图2.1液位被控过程简明原理图系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程。
如图，水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。
液位h越高，水箱内的静压力增大,Q2也越大。
液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。
若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡，Q1-Q2=A(dh/dt) ；△Q1-△Q2=A(d△h/dt)在静态时，Q1=Q2，dh/dt=0；当Q1发生变化后，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。
由流体力学可知，液位h与流量之间为非线性关为了简便起见，做线性化处理得 Q2=△h/R2，经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W 0(s)=H(s)/Q1(s)=R2/(R2Cs+1)=K/(Ts+1)注：△Q1﹑△Q2﹑△h:分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h的增量。
R2:阀2的阻力 A:水箱截面积 T:液位过程的时间常数(T=R2C) K:液位过程的放大系数(K=R2)C:液位过程容量系数2.2阶跃响应曲线法建立模型在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。
通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。
在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号： (1) 通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。
(2) 通过在MCGS 监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。
图2.2 水箱模型测定原理图 1．上水箱阶跃响应参数测定：按图连接实验线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP 1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。
改变调节阀开度至OP 2=60,即对上水箱输入阶跃信号,使其液位离开原平衡状态。
经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。
图2.3上水箱阶跃响应曲线记录阶跃响应参数(间隔30s 采集数据):1 23.62 7 44.77 13 47.76 19 47.64 2 30.50 8 45.56 14 47.87 20 47.09 3 35.25 946.1715 47.89 21 46.52 4 38.69 10 47.06 16 47.28 22 46.41 5 41.32 11 47.25 17 47.01 23 46.28 643.3112 47.4618 47.1524 45.90表2.1上水箱阶跃响应数据2．下水箱阶跃响应参数测定：控制进水量供水施加阶跃输入信号 阶跃响应输出电动磁力泵电动调节阀上水箱/下水箱按图连接实验线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP=40,等到水1=50,即对上水箱输入阶跃信号,使其液箱的液位处于平衡位置时。
改变调节阀开度至OP2位离开原平衡状态。
经过一定调节时间后,水箱液位重新进入平衡状态。
图2.4下水箱阶跃响应曲线记录阶跃响应参数(间隔30s采集数据):1 54.02 13 84.61 25 98.45 37 103.93 49 107.202 57.19 14 86.34 26 99.19 38 104.39 50 107.283 60.28 15 87.71 27 99.83 39 104.84 51 107.324 63.53 16 89.18 28 100.43 40 105.06 52 107.385 66.56 17 90.44 29 101.01 41 105.53 53 107.566 69.52 18 91.76 30 101.42 42 105.80 54 107.667 72.26 19 93.04 31 101.81 43 106.08 55 107.828 74.79 20 94.11 32 102.26 44 106.33 56 107.679 77.00 21 95.18 33 102.79 45 106.41 57 107.5510 79.07 22 96.04 34 103.19 46 106.61 58 107.3911 80.87 23 96.96 35 103.36 47 106.65 59 107.2512 82.88 24 97.49 36 103.65 48 106.94 60 107.10表2.2下水箱阶跃响应数据由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。