多容液位控制系统的建模与实验分析
多容液位控制系统的建模与实验分析[20191215170636]
摘 要
多容液位控制系统是常见的工业控制系统之一，被控对象具有非线性、带时滞的特点。在工业控制过程中有许多系统都可以抽象成多容液位控制系统模型，如饮料生产，食品加工，污水处理等多种生产过程中经常用到的储水池或蓄液池系统。在控制过程中往往要知道对象的模型以及传递函数，利用控制算法对实际液位进行控制。因此对多容液位控制系统建模有着非常重要的意义。
本文首先介绍了系统建模的相关理论和方法。接着描述了单、双、三容水箱进行机理建模得到含有未知参数的传递函数模型的过程。然后为获得系统输入输出数据，建立了多容液位控制系统MCGS工程，与下位机部分THJ-2高级过程控制系统连接，进行开环阶跃响应的实验。最后本文使用MATLAB系统辨识工具箱和系统辨识的两种方法，根据阶跃响应数据求得传递函数中的未知参数，得到系统的传递函数。辨识得到的系统模型与实际模型的匹配度较高。
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关键字:字多容液位控制系统；组态软件；系统辨识；传递函数
Key words：Multi-water-tank control system; Configuration software; System identification; Transfer function 目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 系统建模研究现状 1
1.3 本文的主要内容 2
第2章 系统建模理论及方法 4
2.1 模型的定义 4
2.2 模型的分类 5
2.3 建模的基本方法 5
2.3.1 理论分析法 5
2.3.2 系统辨识 6
2.4 建模的一般过程 7
第3章 THJ-2液位控制系统分析 8
3.1 THJ-2过程控制系统介绍 8
3.2 单容水箱 9
3.3 双容水箱 11
3.4 三容水箱 13
第4章 多容液位控制系统的组态设计 15
4.1 MCGS组态软件介绍 15
4.2 组建新工程的一般过程 16
4.3 多容液位控制系统组态工程设计 17
4.3.1 工程新建 18
4.3.2 定义数据对象 18
4.3.3 模块设计 21
4.3.4 设备连接 40
第5章 多容液位控制系统实验 45
5.1 多容液位控制系统实验原理 45
5.2 实验仪器仪表设置 46
5.2.1 宇光AI818仪表 46
5.2.2 变频器 47
5.3 实验过程 47
5.4 实验数据处理 48
第6章 系统辨识 50
6.1 MATLAB系统辨识工具箱 50
6.1.1 MATLAB系统辨识工具箱介绍 50
6.1.2 辨识过程 50
6.2 模型辨识的其他方法 56
6.2.1 方法一 56
6.2.2 方法二 59
第7章 总结 63
参考文献 64
致谢 66
英文原文 68
英文翻译 71
第1章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
随着科学技术的进步，实际系统朝着复杂化的方向发展，与此同时，控制理论在不断地完善与改进，并应用到实际系统中去。面对越来越复杂的系统，人们通过对典型系统的重新分析，提出新的方法。这些方法在生产过程中为解决实际系统的控制问题提供了很多帮助。在研究这些典型的控制系统时，人们需要知道系统的模型结构，在这个基础之上，进行系统仿真或者实现系统的控制，这里的模型结构通常指的是传递函数模型[1]。
液位控制系统是其中一类常见的大时滞、大惯性系统，它以实际液位作为被控对象[2]。在生产生活中液位控制系统普遍存在并被人们利用，如啤酒生产过程要严格控制各个生产罐的液位信息达到安全生产，锅炉的液位控制，还有污水厂水位控制等方面。这些液位控制系统中常见到串级液位控制系统，例如低阶的单容、双容液位控制系统等[3]。在生产中我们常常要对液位系统进行控制，其中PID控制最多，这是因为PID控制结构简单并且容易实现[4]。对液位控制系统的分析与建模，可以为它的PID控制提供一定的基础。
在计算机日益发展的阶段，我们可以利用计算机中的多种软件进行数据处理与计算，获得系统传递函数和建立系统模型，进行模型的估计与验证。例如利用MCGS组态软件我们能够建立相应工程获得实际系统的实验数据，在MATLAB中我们编写相应程序对数据进行参数辨识等[5][6]。
液位控制系统作为一种大时滞、大惯性系统，研究此系统可用于检验控制理论在此类系统中的应用效果，通过实际与理论的结合，提高对理论知识的应用能力与分析问题的能力。在研究此类系统过程中，还会接触到化工仪器仪表等其他方面的知识，这对扩充知识范围，提高学科间联系有很大的帮助。
1.2系统建模研究现状
控制理论作为一个很热门的领域在原来经典控制理论的基础之上，还在不断发展，扩充，现在是控制理论不断发展和完善的时期。控制系统研究的对象往往以一定的形式给出来，这种具有一定系统特征的表示我们称为模型，控制系统过程中我们进行的系统分析，讨论系统的特性一般都是有系统模型的前提之下进行的。在控制系统发展的这么多年以来，各种各样的模型都已经被建立出来并得到很好的分析，然后应用到实际的生产生活中。还有很多未研究过的问题，需要通过系统建模之后才能予以解决。
随着科学技术的发展，在已有的控制系统模型的基础上，更多新的建立系统模型的方法被提出来。这些新的方法中有很多方法都是在原来基础之上所做的改进。比如在建模方法中系统辨识部分，利用最小二乘法的方法我们可以求出系统的未知参数，一阶加纯滞后模型的增益K，延迟时间L和时间常数T，文献[7]就介绍了一种最小二乘法的基础上利用矩阵工具求得相关未知参数的方法。
现阶段控制系统研究的对象朝着复杂化、大时滞、大惯性方向发展，对这些系统的建模为控制理论的发展完善能够起到很大的推动作用。
1.3本文的主要内容
本课题主要利用一般系统建模的方法建立多容液位控制系统的模型[8]。这里的多容指的是单容、双容、三容有自衡的液位系统。这些液位系统在加了阶跃输入信号的条件下，能够利用自身的自衡特性，使其液位在一段时间后能够稳定在一定的数值，完成一个动态自衡的过程[9]。
本文首先对系统建模的知识进行了介绍。这部分内容包括模型的定义与分类，建立模型的基本方法以及建模的一般过程。这里重点讲了建模的基本方法，主要是两种方法：理论分析法和实验法[10]。理论分析法在本文中主要体现在第三章对THJ-2过程控制系统中水箱部分的机理建模中，根据水箱的物理结构，我们利用其流量的关系进行公式推导得出其含有未知参数的传递函数。实验法是利用系统的输入输出数据，在已知系统的传递函数结构模型的情况下，进行的系统辨识[11][12]。在实际过程中这两种方法可以单独使用，也可以混合使用。
其次，文中介绍了THJ-2系统水箱部分的结构，按照相应的平衡关系进行分析，分别推出单容、双容、三容水箱含有未知数的传递函数，为系统辨识做准备。
第四章就对多容液位系统获取数据时所用到的MCGS组态软件进行了详细介绍[13]。其中工程建立的部分，一步一步介绍了多容液位控制系统组态工程从工程规划、工程建立、模块设计、设备连接等相关设置。建立的工程为后面数据获取做准备工作，除此之外，这些过程也为学习该软件的使用提供了一定的经验及帮助。
接着，文中介绍了多容液位控制系统在开环阶跃信号输入下，获取阶跃响应数据的过程。这里面包括了实验装置的控制流程，实验仪器仪表的相关设置和实验的整个过程，还有实验数据的简单处理[14]。
在获取实验数据之后，第六章介绍了利用输入输出数据进行的系统传递函数的辨识过程，这里有利用MATLAB系统辨识工具箱进行的传递函数的直接辨识，还有另外两种参数辨识方法：方法一[15]和方法二[7]。方法一通过系统阶跃响应的式子进行推导巧妙的求出了未知参数；方法二中根据最小二乘法的思想，利用工具矩阵求出整个过程中未知参数的变化曲线，曲线最后稳定后可以得到未知参数的值，通过这种方法能够求得系统的传递函数。用这两种方法，我们可以直接辨识出来单容模型的传递函数，而双容、三容过程我们就需要将其看作一阶系统来处理。
本文的研究内容对其他控制系统的建模有一定的参考价值，不过其中不免有些不足之处，如辨识方法的局限性及数据的可信度等方面。
第2章 系统建模理论及方法
2.1模型的定义
模型就是实体中具有特征部分的抽象表示，模型一般上都是对实体的简化，然后以一定的形式表示出来[16]。模型的表示形式一般有文字、符号、图表、数学公式等。对于系统而言，模型并不等价于系统本身，他只是去掉了系统的一部分属性，保留其特征属性，能够代表一类或一部分具有该相同属性的对象。我们可以这样理解模型，它其实就是一些对象的集合。
实际过程中我们所要建立的模型根据我们的需求来进行抽象，舍弃对我们影响不大的方面，保留主要的本质部分。例如在单容水箱系统建模的过程中，我们将其看作的一阶模型的过程中，我们已经省去了系统中的一些非线性影响。对于一阶加纯滞后系统[17]，在生产过程中有很多系统都可以抽象的用该系统来表示，我们将其系统传递函数写成：
（2.1）
其中K为静态增益，td为系统的延迟时间，T为系统的时间常数。上述传递函数可以作为一阶加纯滞后系统的典型模型，具有该类特点的系统我们都可以用该模型来进行分析与控制。
建立出模型之后，我们可以很好的将系统归类，或是从这一类模型中得到其他同类模型的特点并进行模型代替等。
图2.1模型化的作用与地位
2.2模型的分类
系统模型有很多分类方法可以使用，其分类属性不同得到的分类结果也不一样。按建模材料我们分为抽象、实物、计算机、半实物模型；按模型的功能我们将其分为结构、性能、评价、最优化、网络模型；按时间的依赖关系分为静态、动态模型等。
下面我们主要介绍其常用的分类方法及相应模型介绍：
（1） 若按线性与非线性分类，非线性模型是不满足叠加原理的，常用来描述非线性系统，而线性模型又来描述线性系统，它可以满足叠加原理；
（2） 若按动态与静态模型分类，动态模型用来描述系统在动态过程中个变量的变化，而静态系统用来描述系统变量稳态时的关系；
（3） 若按随机性与确定性来分类，随机性系统表示系统的输出不确定，而确定性系统的输出为确定的，我们可以进行预测；
（4） 若按宏观模型与微观模型分类，宏观模型用来研究事物的宏观部分，围观模型则相反；
（5） 若按变量是否连续分类，分为离散型和连续型。
2.3建模的基本方法
系统建模的方法一般有两种，一种是理论分析法，另一种是实验法，也就是系统辨识的方法[18]。这两种方法我们可以单独使用，也可以混合使用。本文所介绍的多容液位控制系统的建模是先利用机理建模求其基本模型结构，然后利用系统辨识的方法求得其传递函数中未知参数达到建模的目的。
摘 要
多容液位控制系统是常见的工业控制系统之一，被控对象具有非线性、带时滞的特点。在工业控制过程中有许多系统都可以抽象成多容液位控制系统模型，如饮料生产，食品加工，污水处理等多种生产过程中经常用到的储水池或蓄液池系统。在控制过程中往往要知道对象的模型以及传递函数，利用控制算法对实际液位进行控制。因此对多容液位控制系统建模有着非常重要的意义。
本文首先介绍了系统建模的相关理论和方法。接着描述了单、双、三容水箱进行机理建模得到含有未知参数的传递函数模型的过程。然后为获得系统输入输出数据，建立了多容液位控制系统MCGS工程，与下位机部分THJ-2高级过程控制系统连接，进行开环阶跃响应的实验。最后本文使用MATLAB系统辨识工具箱和系统辨识的两种方法，根据阶跃响应数据求得传递函数中的未知参数，得到系统的传递函数。辨识得到的系统模型与实际模型的匹配度较高。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字多容液位控制系统；组态软件；系统辨识；传递函数
Key words：Multi-water-tank control system; Configuration software; System identification; Transfer function 目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 系统建模研究现状 1
1.3 本文的主要内容 2
第2章 系统建模理论及方法 4
2.1 模型的定义 4
2.2 模型的分类 5
2.3 建模的基本方法 5
2.3.1 理论分析法 5
2.3.2 系统辨识 6
2.4 建模的一般过程 7
第3章 THJ-2液位控制系统分析 8
3.1 THJ-2过程控制系统介绍 8
3.2 单容水箱 9
3.3 双容水箱 11
3.4 三容水箱 13
第4章 多容液位控制系统的组态设计 15
4.1 MCGS组态软件介绍 15
4.2 组建新工程的一般过程 16
4.3 多容液位控制系统组态工程设计 17
4.3.1 工程新建 18
4.3.2 定义数据对象 18
4.3.3 模块设计 21
4.3.4 设备连接 40
第5章 多容液位控制系统实验 45
5.1 多容液位控制系统实验原理 45
5.2 实验仪器仪表设置 46
5.2.1 宇光AI818仪表 46
5.2.2 变频器 47
5.3 实验过程 47
5.4 实验数据处理 48
第6章 系统辨识 50
6.1 MATLAB系统辨识工具箱 50
6.1.1 MATLAB系统辨识工具箱介绍 50
6.1.2 辨识过程 50
6.2 模型辨识的其他方法 56
6.2.1 方法一 56
6.2.2 方法二 59
第7章 总结 63
参考文献 64
致谢 66
英文原文 68
英文翻译 71
第1章 绪论
1.1课题研究的背景与意义
随着科学技术的进步，实际系统朝着复杂化的方向发展，与此同时，控制理论在不断地完善与改进，并应用到实际系统中去。面对越来越复杂的系统，人们通过对典型系统的重新分析，提出新的方法。这些方法在生产过程中为解决实际系统的控制问题提供了很多帮助。在研究这些典型的控制系统时，人们需要知道系统的模型结构，在这个基础之上，进行系统仿真或者实现系统的控制，这里的模型结构通常指的是传递函数模型[1]。
液位控制系统是其中一类常见的大时滞、大惯性系统，它以实际液位作为被控对象[2]。在生产生活中液位控制系统普遍存在并被人们利用，如啤酒生产过程要严格控制各个生产罐的液位信息达到安全生产，锅炉的液位控制，还有污水厂水位控制等方面。这些液位控制系统中常见到串级液位控制系统，例如低阶的单容、双容液位控制系统等[3]。在生产中我们常常要对液位系统进行控制，其中PID控制最多，这是因为PID控制结构简单并且容易实现[4]。对液位控制系统的分析与建模，可以为它的PID控制提供一定的基础。
在计算机日益发展的阶段，我们可以利用计算机中的多种软件进行数据处理与计算，获得系统传递函数和建立系统模型，进行模型的估计与验证。例如利用MCGS组态软件我们能够建立相应工程获得实际系统的实验数据，在MATLAB中我们编写相应程序对数据进行参数辨识等[5][6]。
液位控制系统作为一种大时滞、大惯性系统，研究此系统可用于检验控制理论在此类系统中的应用效果，通过实际与理论的结合，提高对理论知识的应用能力与分析问题的能力。在研究此类系统过程中，还会接触到化工仪器仪表等其他方面的知识，这对扩充知识范围，提高学科间联系有很大的帮助。
1.2系统建模研究现状
控制理论作为一个很热门的领域在原来经典控制理论的基础之上，还在不断发展，扩充，现在是控制理论不断发展和完善的时期。控制系统研究的对象往往以一定的形式给出来，这种具有一定系统特征的表示我们称为模型，控制系统过程中我们进行的系统分析，讨论系统的特性一般都是有系统模型的前提之下进行的。在控制系统发展的这么多年以来，各种各样的模型都已经被建立出来并得到很好的分析，然后应用到实际的生产生活中。还有很多未研究过的问题，需要通过系统建模之后才能予以解决。
随着科学技术的发展，在已有的控制系统模型的基础上，更多新的建立系统模型的方法被提出来。这些新的方法中有很多方法都是在原来基础之上所做的改进。比如在建模方法中系统辨识部分，利用最小二乘法的方法我们可以求出系统的未知参数，一阶加纯滞后模型的增益K，延迟时间L和时间常数T，文献[7]就介绍了一种最小二乘法的基础上利用矩阵工具求得相关未知参数的方法。
现阶段控制系统研究的对象朝着复杂化、大时滞、大惯性方向发展，对这些系统的建模为控制理论的发展完善能够起到很大的推动作用。
1.3本文的主要内容
本课题主要利用一般系统建模的方法建立多容液位控制系统的模型[8]。这里的多容指的是单容、双容、三容有自衡的液位系统。这些液位系统在加了阶跃输入信号的条件下，能够利用自身的自衡特性，使其液位在一段时间后能够稳定在一定的数值，完成一个动态自衡的过程[9]。
本文首先对系统建模的知识进行了介绍。这部分内容包括模型的定义与分类，建立模型的基本方法以及建模的一般过程。这里重点讲了建模的基本方法，主要是两种方法：理论分析法和实验法[10]。理论分析法在本文中主要体现在第三章对THJ-2过程控制系统中水箱部分的机理建模中，根据水箱的物理结构，我们利用其流量的关系进行公式推导得出其含有未知参数的传递函数。实验法是利用系统的输入输出数据，在已知系统的传递函数结构模型的情况下，进行的系统辨识[11][12]。在实际过程中这两种方法可以单独使用，也可以混合使用。
其次，文中介绍了THJ-2系统水箱部分的结构，按照相应的平衡关系进行分析，分别推出单容、双容、三容水箱含有未知数的传递函数，为系统辨识做准备。
第四章就对多容液位系统获取数据时所用到的MCGS组态软件进行了详细介绍[13]。其中工程建立的部分，一步一步介绍了多容液位控制系统组态工程从工程规划、工程建立、模块设计、设备连接等相关设置。建立的工程为后面数据获取做准备工作，除此之外，这些过程也为学习该软件的使用提供了一定的经验及帮助。
接着，文中介绍了多容液位控制系统在开环阶跃信号输入下，获取阶跃响应数据的过程。这里面包括了实验装置的控制流程，实验仪器仪表的相关设置和实验的整个过程，还有实验数据的简单处理[14]。
在获取实验数据之后，第六章介绍了利用输入输出数据进行的系统传递函数的辨识过程，这里有利用MATLAB系统辨识工具箱进行的传递函数的直接辨识，还有另外两种参数辨识方法：方法一[15]和方法二[7]。方法一通过系统阶跃响应的式子进行推导巧妙的求出了未知参数；方法二中根据最小二乘法的思想，利用工具矩阵求出整个过程中未知参数的变化曲线，曲线最后稳定后可以得到未知参数的值，通过这种方法能够求得系统的传递函数。用这两种方法，我们可以直接辨识出来单容模型的传递函数，而双容、三容过程我们就需要将其看作一阶系统来处理。
本文的研究内容对其他控制系统的建模有一定的参考价值，不过其中不免有些不足之处，如辨识方法的局限性及数据的可信度等方面。
第2章 系统建模理论及方法
2.1模型的定义
模型就是实体中具有特征部分的抽象表示，模型一般上都是对实体的简化，然后以一定的形式表示出来[16]。模型的表示形式一般有文字、符号、图表、数学公式等。对于系统而言，模型并不等价于系统本身，他只是去掉了系统的一部分属性，保留其特征属性，能够代表一类或一部分具有该相同属性的对象。我们可以这样理解模型，它其实就是一些对象的集合。
实际过程中我们所要建立的模型根据我们的需求来进行抽象，舍弃对我们影响不大的方面，保留主要的本质部分。例如在单容水箱系统建模的过程中，我们将其看作的一阶模型的过程中，我们已经省去了系统中的一些非线性影响。对于一阶加纯滞后系统[17]，在生产过程中有很多系统都可以抽象的用该系统来表示，我们将其系统传递函数写成：
（2.1）
其中K为静态增益，td为系统的延迟时间，T为系统的时间常数。上述传递函数可以作为一阶加纯滞后系统的典型模型，具有该类特点的系统我们都可以用该模型来进行分析与控制。
建立出模型之后，我们可以很好的将系统归类，或是从这一类模型中得到其他同类模型的特点并进行模型代替等。
图2.1模型化的作用与地位
2.2模型的分类
系统模型有很多分类方法可以使用，其分类属性不同得到的分类结果也不一样。按建模材料我们分为抽象、实物、计算机、半实物模型；按模型的功能我们将其分为结构、性能、评价、最优化、网络模型；按时间的依赖关系分为静态、动态模型等。
下面我们主要介绍其常用的分类方法及相应模型介绍：
（1） 若按线性与非线性分类，非线性模型是不满足叠加原理的，常用来描述非线性系统，而线性模型又来描述线性系统，它可以满足叠加原理；
（2） 若按动态与静态模型分类，动态模型用来描述系统在动态过程中个变量的变化，而静态系统用来描述系统变量稳态时的关系；
（3） 若按随机性与确定性来分类，随机性系统表示系统的输出不确定，而确定性系统的输出为确定的，我们可以进行预测；
（4） 若按宏观模型与微观模型分类，宏观模型用来研究事物的宏观部分，围观模型则相反；
（5） 若按变量是否连续分类，分为离散型和连续型。
2.3建模的基本方法
系统建模的方法一般有两种，一种是理论分析法，另一种是实验法，也就是系统辨识的方法[18]。这两种方法我们可以单独使用，也可以混合使用。本文所介绍的多容液位控制系统的建模是先利用机理建模求其基本模型结构，然后利用系统辨识的方法求得其传递函数中未知参数达到建模的目的。
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