水箱水位控制系统的设计设计.doc

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1绪论 1
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2水箱水位系统概述 5
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3硬件电路 12
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4仿真软件简介 14
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(CommandWindow)简介 16
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5结论 20
6参照文献 21
1绪论

计算机模拟控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基本上产生的,20世纪50年代中期,典型控制理论已经发展成熟,并在不少工程技术领域得到了成功的应用。随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的规定。现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基本,而计算机技术的发展为新型控制措施的实现提供了非常有效的手段,两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。进而计算机模拟控制系统广泛的应用于工厂生产,逐渐融入于生产中,各类大型工厂均离不开计算机控制系统。

按系统性能分:线性系统和非线性系统;持续系统和离散系统;定常系统和时变系统;拟定系统和不拟定系统。
1、线性持续系统:用线性微分方程式来描述,如果微分方程的系数为常数,则为定常系统;如果系数随时间而变化,则为时变系统。此后我们所讨论的系统重要以线性定常持续系统为主。
2、线性定常离散系统:离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。此类系统用差分方程来描述。
3、非线性系统:系统中有一种元部件的输入输出特性为非线性的系统。

在线性系统理论中,一般常用的数学模型形式有:传递函数模型(系统的外部模型)、状态方程模型(系统的内部模型)、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间均有着内在的联系,可以互相进行转换。

模拟控制系统由给定输入、模糊控制器、控制对象、检测变送装置、反馈信号与给定输入的相加环节等构成。模拟控制系统的各处均为持续信号,在模拟系统中,给定值与反馈值通过比较器比较产生偏差,控制器对偏差进行调节计算,产生控制信号驱动执行机构,从而被控参数的值达到预期值。其典型构造如下图所示:
给定值被控参数
控制器执行器被控对象
反—
馈
值
监测装置


从最广泛的意义上说,数学模型是事物行为规律的数学描述。根据所描述的是事物在稳态下的行为规律还是在动态下的,数学模型有静态模型和动态模型之分。一般来说,静态模型较易得到,动态特性往往成为建模的核心所在。
建立数学模型的目的
(1)制定优化的操作方案
(2)制定控制系统的设计方案,运用数学模型进行仿真研究
(3)进行控制系统调试和控制器参数的整定
(4)设计工业过程的故障检测与诊断系统
(5)制定大型设备启动和停车的操作方案

众所熟知,被控对象的数学模型可以采用多种不同的体现形式,重要可以从一下几种观点加以划分:
按系统的持续性分为持续系统、离散系统模型和混杂系统模型。
按模型的构造划分为输入输出模型和状态空间模型
输入输出模型又可按论域划分为时域体现——阶跃响应、脉冲响应;频域体现——传递函数
在控制系统的设计中,所需要的被控对象数学模型在体现式上是因状况而异的。
被控对象数学模型的运用方式
被控对象的数学模型只是在进行控制系统的设计研究时或在控制系统的调试整定阶段中发挥作用。。这种运用方式一般是离线的。
近十近年来,由于计算机的发展和普及,相继推出一类新型控制系统,其特点是规定把被控对象的数学模型作为一种构成部分嵌入控制系统中,预测控制系统即是一种例子。
对被控对象数学模型的规定
作为数学模型,一方面是规定它精确可靠,但这并不意味着越精确越好。应根据实际应用状况提出合适的规定。超过实际需要的精确性规定必然导致不必要的挥霍。在线运用的数学模型尚有实时性的规定,它与精确性规定往往是矛盾的。
一般说,用于控制的的数学模型并不规定非常精确。闭环控制自身具有一定的鲁棒性,由于模型的误差可以视为扰动,而闭环控制在某种限度上具有自动消除扰动影响的能力。
实际生产过程的动态特性是非常复杂的,控制人员在建立其数学模型时,不得不突出重要因素,忽视次要因素,否则就得不到可用的模型。为此往往需要做诸多近似解决,例如线性化、分布参数系统集总化和模型降价解决等。在这方面有时很难得到工艺人员的理解。从工艺人员看来,有些近似解决简直是难以接受的,但它却能满足控制的规定。

简历数学模型的基本措施有两个:机理法和实验法。
机理法建模
用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理,写出多种有关的平衡方程如:物质平衡方程,能量平衡方程,动量平衡方程,相平衡方程,反映物体运动、传热、传质、化学反映等基本规律的方程,物性参数方程和某些设备的特性方程等,从中获得所需的数学模型。
由此可见,用机理建模的首要条件是生产过程的机理必须已经成为人们充足掌握,并且可以比较确切的加以数学描述。另一方面,很显然,除非是非常简朴的被控对象,否则很难得到以紧凑的数学形式体现的模型。
近几十年来,随着电子计算机的普及使用和数值分析措施的发展,对数学模型的的研究有了迅速的发展。可以说,只要机理清晰,就可以运用计算机求解几乎任何复杂系统的数学模型。根据对模型的规定,合理的近似假定总是必不可少的。模型应当尽量简朴,同步保证达到合理的精度。有时还需要考虑实时性的问题。
用机理建模时,有时也会浮现模型中有某些系数或参数难以拟定的状况。这时可以用实验拟合措施或过程辨识措施把这些未知量估计出来。
实验法建模
实验法一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某些数学解决后得到的模型。它的重要特点是把被研究的工业过程视为一种黑匣子,完全从外特性上测试和描述它的动态性质,因此不需要进一步掌握其内部机理。然而,这并不意味着可以对内部机理毫无所知。
过程的动态特性只有当它处在变动状态下才会体现出来,在稳态下是体现不出来的。因此为了获得动态特性,必须是被研究的过程处在被鼓励的状态,例如人为施加一种阶跃扰动或脉冲扰动等。为了有效的进行这种动态特性测试,仍然有必要对过程内部机理有明确的定性理解,例如究竟有那些重要因素在起作用,它们之间的因果关系如何等等。丰富的验前知识无疑会有助于成功地用实验法建立数学模型。那些内部机理尚未被人们充足理解的过程是难以用实验法建立其精确的动态数学模型的。
用实验法建模一般比用机理法要简朴和省力,特别是对于那些复杂的工业过程更为明显。如果两者都能达到同样的目的,一般都采用实验法建模。
实验法建模又可分为典型辨识法和现代辨识法两大类,它们大体可以按与否必须运用计算机进行数据解决为分界线。
典型辨识法不考虑测试数据中偶尔性误差的影响,它只需对少量的测试数据进行比较简朴的数学解决,计算工作量一般很小,可以不用计算机。
现代辨识法的特点是可以消除测试数据中的偶尔性误差即噪声的影响,为此就需要解决大量的测试数据,计算机是不可缺少的工具。它所波及的内容很丰富,已经形成一种专门的学科分支。
2水箱水位系统概述
在能源、化工等多种领域中普遍存在着各类液位控制系统液。多种控制方式在液位控制系统中也层出不穷,如较常用的浮子式、磁电式和接近开关式。而随着国内工业自动化限度的提高,规模的扩大,在工程中液位控制的计算机控制得到越来越多的应用。液位控制系统的检测及计算机控制已成为工业生产自动化的一种重要方面。
本次课程设计一水箱水位系统为例,设计水箱水位系统的模拟控制系统,对水箱水位控制系统进行建模设计。

液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高下,当传感器检测到液位设定值时,阀门关闭,避免物料溢出;当检测液位低于设定值时,阀门打开,使液位上升,从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂常用有两种方式的液位控制:常压容器和压力容器的液位控制,例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器(或差压变送器)、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据顾客需要也可采用控制泵启停或变化电机频率方式来进行液位控制。构造简朴,安装以便,操作简便直观,可以长期持续稳定在无人监控状态下运营。 

如果被控对象在扰动作用下偏离了本来的平衡状态,在没有外部干预的状况下(指没有自动控制或人工控制参与),被控变量依托被控对象内部的反馈机理,能自发达到新的平衡状态,我们称此类对象是有自平衡能力的被控对象。
具有自平衡能力的单容对象的传递函数为
             ()
这是个一阶惯性环节。描述此类对象的参数是时间常数T和放大系数K。

。我们已经推导过水箱的传递函数为
其中T=RC,C为水箱的横截面积,R为输出管道阀门的阻力。T称为水箱的时间常数。K称为水箱的放大系数。一阶系统的特性我们已经在时域分析中进行了具体的讨论,所有结论都合用于单容对象。作为过程控制的被控对象,单容对象的时间常数比较大。

直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范畴和负载范畴内得到持续和精确地控制,因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比,通过变化电枢电流或变化激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。在这种控制方式中,激磁电流恒定,控制电压加在电枢上,这是一种普遍采用的控制方式。设为输入的控制电压   电枢电流  为电机产生的积极力矩
  为电机轴的角速度  为电机的电感  为电枢导数的电阻
  为电枢转动中产生的反电势  为电机和负载的转动惯量
根据电路的克希霍夫定理
整顿后
          
式中:称为直流电动机的电气时间常数;    称为直流电动机的机电时间常数;
     ,为比例系数。直流电动机电枢绕组的电感比较小,一般状况下可以忽视不计,式()可简化为
                       

减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置,用来减少转速和增大转矩,以满足工作需要,在某些场合也用来增速,称为增速器。减速器在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用,其传递函数如下:

控制器,执行机构、测量变送器都属于自动化仪表,她们都是环绕被控对象工作的。也就是说,一种过程控制的控制系统,是环绕被控现象而构成的,被控对象是控制系统的主体。因此,对被控对象的动态特性进行进一步理解是过程控制的一种重要任务。只有进一步理解被控对象的动态特性,理解她的内在规律,理解被控辩量在多种扰动下变化的状况,才干根据生产工艺的规定,为控制系统制定一种合理的动态性能指标,为控制系统的设计提供一种原则。性能指标顶的偏低,也许会对产品的质量、产量导致影响。性能指标顶的过高,也许会成不必要的投资和运营费用,甚至会影响到设备的寿命。性能指标拟定后,设计出合理的控制方案,也离不开对被控动态特性的理解。不顾被控对象的特点,盲目进行设计,往往会导致设计的失败。特别是某些复杂控制方案的设计,不清晰被控对象的特点主线就无法进行设计。有了对的的控制方案,控制系统中控制器,测量变送器、执行器等仪表的选择,必须已被控对象的特性为根据。在控制系统构成后,合适的控制参数的拟定及控制系统的调节,也完全依赖与对被控对象动态特性的理解。由此可见,在控制工程中,理解被控制的对象是必须一方面做好的一项工作。