毕业论文：双容水箱的建模及控制

大学本科毕业论文(设计)开题报告
学院：信息科学与工程学院　　　　　　　专业班级：09自动化1班

课题名称 双容水箱的建模及控制
设计（论文）类型
（划√） 工程设计 应用研究 开发研究 基础研究 其它

1、本课题的的研究目的和意义：
研究目的：液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
① 了解双容水箱液位控制系统的结构和组成，通过毕业设计进一步加深理解信号检测、控制理论与过程控制系统等所学课程的内容。
② 掌握双容水箱液位系统的数学建模及仿真方法，将机理建模法与实验测试法相结合分析并确定该系统的具体模型参数。
③ 掌握双容水箱液位PID控制下的参数整定。
研究意义：双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性，有较强的工业背景，对双容水箱数学模型的建立是非常有意义的。同时，双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有指导意义，例
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是受其高价格的限制，目前，国内只是少数高校的部分实验室引进了这个设备，给基于双容水箱系统的算法研究和仿真带来了困难。
液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：
(1) 对象存在滞后
由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。
(2) 对象特性的非线性
对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。
(3) 控制系统较复杂
从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。
国内研究现状：
国内也有一些厂家研制了双容水箱液位系统。GWT 系列水箱液位控制实验装置由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发而成， 并经过香港城市大学双年的实践检验，充分证明了其教学、实验和研究价值。用户既可通过经典的PID控制器设计与调试，完成经典控制教学实验，也可通过模糊逻辑控制器的设计与调试，进行智能控制教学实验与研究。各种控制器的控制效果既通过水位的变化直观地反映出来，同时通过液位传感器对水位的精确检测，方便地获得瞬态响应指标，准确评估控制性能。 开放的控制器平台， 便于用户进行自己的控制器设计， 满足创新研究的需要。THJS-1 型双容水箱对象系统实验装置由浙江天煌科技实业有限公司研制开发，它的出现为各大专院校，科研院所从事自动控制理论学习、研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。
液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。
3、本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：
主要研究内容：本篇设计主要是对双容水箱液位控制系统的模型以及主要的指标进行规定，在做双容水箱液位控制系统的设计中，被控对象模型（传递函数）的求取是非常重要的，求取的方法分为两类，有理论分析计算法（机理建模）和实验测定法。掌握了对象的模型及特性，便可以确定控制方案和控制参数，在本设计中采用的是单回路控制系统，然后便是被控对象参数的选择以及仪表的选择和该装置传递函数的求取，我们要了解过程控制仪表包括调节器（含可编程调节器）、执行器、操作器等各种新型控制仪表及装置。单元组合式仪表有气动单元组合仪表和电动单元组合仪表。气动单元组合仪表，简称QDZ仪表。其开发应用最早，至今已有数十年的历史，并已经历Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三代产品。由于其结构简单、工作可靠、价格便宜、性能稳定，而且具有本质安全防爆灯特点，所以特别适用于石油、化工等易燃易爆等场合。熟悉双容水箱液位控制系统的组成结构，并对该系统性能的分析以及调节器的参数整定有更深的认识。
本系统的设计是在MATLAB软件上实现对水箱系统的仿真及控制。运用自动控制理论和工业过程控制技术的知识建立控制系统的模型，在MATLAB *PC_Target环境下取得实时实验数据，并分析得到液位模型的具体参数。最后，在简单PID控制器下完成双容水箱的液位控制。
成果形式：建立双容水箱液位的数学模型，将该模型的各个未知参数求出，从而得到实际双容水箱的模型。采用一般的 ……（未完，全文共4642字，当前仅显示2344字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：双容水箱的建模及控制》）