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四川理工学院大作业（论文）

基于MATLAB
双容水槽液位控制系统设计

学 生：
专 业：过程装备与控制工程
班 级：

四川理工学院机械工程学院
二O一六年六月
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目：基于MATLAB双容水槽液位控制系统设计
学院：机械工程学院专业：过控班级：
学生：
接受任务时间2016.06
系主任（签名）　　院长(签名）

1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
（1）选择控制对象
（2)确定被控变量
（3）分析被控变量特性，确定控制方案并进行论述，进行相应选型

2．指定查阅的主要参考文献及说明
[1］彭燕[1］。过程控制课程中一个液位控制系统综合实验［J］。计算机与数字工程,2015，43(6）:1129—1131.
［2]刘静［1］。具有相互影响的液位过程自整定PID控制器设计［J]。伺服控制，2013，(6）：41—44。
［3］徐庆龙。智能PID算法在远程液位控制系统中的应用［J］.微计算机信息,2003，19（12）：19-20.

3．进度安排

设计（论文)各阶段名称
起止日期
1
查阅文献、初步计算相关数据
2016.05。20-2016.05.23
2
初步定稿、基本完成设计说明书
2016.05。23-2016.05.26
3
根据文档、编制讲解ppt
2016。05.26-2016.05。29

摘 要
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工,溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法.
本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识.作为双容水箱液位的控制系统，其模型为二阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，调节阀为电动调节阀。选用合适的器件设备、控制方案和算法，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求.

关键词：PID控制 过程控制 液位控制 MATLAB仿真

ABSTRACT
In many fields of people life and industrial production often involves the liquid level and flow control problem， such as a variety of residents living water supply, beverage， food processing， filtering the solution, chemical production industry in the production process, usually need to use storage tank, storage tank level need to maintain the appropriate height, both can not be too full to overflow caused by waste, not too little and unable to meet the demand. Therefore， the height of the liquid level is an important parameter in the process of industrial control， especially in the dynamic state, the method can be used to detect and control the liquid level. PID control （proportional, integral and differential control) is the most widely used control method at present。
This paper is mainly about the design process of a water tank level control system, which involves the dynamic control of the liquid level, the modeling of the control system, the PID algorithm, the sensor and the control valve and so on。 As a dual tank water tank level control system， the model of the two order inertia function, control method using the PID algorithm， the control valve for the electric control valve. The selection of the appropriate device， control scheme and algorithm is to satisfy the requirements of the system to control the quality of the system, such as control precision， adjust time and overshoot。

Key words: PID control；process control; level control

目 录
摘 要I
ABSTRACTII
概述1
第一章 控制系统的组成2
1。1 被控对象的选择2
1.2 控制变量的选择与分析2
1。3 调节器的选择与分析2
第二章 数学模型的建立4
第三章 控制系统总体方案6
第四章 控制系统元件选型7
4。1执行器的选择7
4。1.1执行器分类7
4.1。2电动阀门的选择7
4。2 液位变送器的选择8
4。2.1常用的液位变送器8
4.2。2超声波变送器9
第五章 利用MATLAB进行仿真设计10
5.1 传递函数的确定10
5。2 MATLAB仿真设计10
5。2.1 整定主回路控制器PID参数10
5。2。2 干扰对系统的影响分析12
5.2。3 MATLAB分析结果13
总结14
参考文献15

概述
在工业生产过程中，液体贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲容器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。
工艺要求液位贮槽内的液位需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。
双水槽系统是由上下两个水槽串联构成的，来水首先进入上水槽，在上水槽液位有一定高度后借助液位产生的压力通过阀门流入下水槽.下水槽水的流出量由用户根据需要改变，通过改变上水槽进水流量来控制下水槽的液位。

第一章 控制系统的组成
1。1 被控对象的选择
本次设计为两个水槽的串联，它们之间的连通管具有阻力，因此两者的液位是不同的.自来水Qi首先进入水槽1，然后再通过水槽2流出.水流入量Qi由阀1控制，流出量Q1决定于阀2的开度(根据用户的需求改变），被控变量是水槽2的液位h2.下图为双容水槽示意图：

图1-1 串级控制的双容液位过程
主控制对象:水槽2
副控制对象：水槽1
1.2 控制变量的选择与分析
主被控变量：水槽2的液位
直通单座调节阀即阀门1的改变不会立即引起水槽2液位的变化，需要通过中间变量即水槽1液位的变化来间接改变水槽2液位的变化,所以使得控制通道容量滞后大、时间常数大（会导致系统的控制作用不及时，反映迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低）.
副被控变量：水槽1的液位
水槽1的液位直接影响水槽2的液位，而水槽1的液位受入水口流量的影响，反应速度快,滞后时间短。
控制变量（操纵变量）:入口流量Q1
通过改变入口流量阀门的开度，改变水槽1的液位高度，固定阀门2的开度,从而改变水槽2的液位高度.
1。3 调节器的选择与分析
主调节器：2水槽液位引起的PID调节器的变化
通过液位变送器测出2水槽液位是否满足期望值，把偏差传输给PID调节器，调节入口阀开度，使2水槽液位接近期望值，实现“细调”功能.
副调节器：1水槽液位引起的PID调节器的变化
通过液位变送器测出1水槽液位是否满足期望值，把偏差传输给PID调节器，调节入口阀开度，快速实现入口流量的变化,迅速实现“粗调”作用。

第二章 数学模型的建立
对于双容液位对象，根据物料平衡方程可以写出两个关系式 。
水槽1的动态平衡关系为
（2—1）
水槽2的动态平衡关系为
（2-2)
式（２—１）与式(２-２）相加得:
（2-3）
同理，在ｑｖ２、ｑｖ３变化量极小时，水流出量与液位的关系近似为
（2—4）　
(2—5）
将式（2—４）和式(2—５)代入式（2—２）并求微分后，经整理得到
(2—6）
再将式（2-５）和式（2-６)代入式（2-３），经整理得到（2-5）
(2-7）
式中，Ａ１,Ａ２ --分别为水槽1、2的横截面积;
RS1、RS2 ——分别为水槽1、2的出水阀阻力系数。
令T1=A1。RS1，T2=A2.RS2，k=RS2，则:
（2—8）
式（2-8)就是描述图2-1所示双容水槽主被控对象的二阶微分方程式。通常这样的被控对象叫做二阶被控对象。式中的T1为水槽1的时间常数，T2为水槽2的时间常数，K为被控对象的放大倍数.

图2—1双容液位对象

第三章 控制系统总体方案
控制总体方案图如图3—1所示:

图3—1 控制系统总体方案设计图
第四章 控制系统元件选型
4。1执行器的选择
在现代生产过程控制中,执行器起着非常重要的作用，是自动调节系统中不可缺少的组成部分。执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动地改变操纵量（如介质流量、热量等），达到对被控参数进行调节的目的.
4.1。1执行器分类
执行器按照工作能源分为三大类:液动、气动、和电动执行器。电动阀简单地说就是用电动执行器控制阀门，从而实现阀门的开和关。其可分为上下两部分,上半部分为电动执行器，下半部分为阀门.气动阀门就是借助压缩空气驱动的阀门，由气动执行机构和调节机构两部分组成。气动阀门和电动阀门开关动作速度可以调整，结构简单，易维护，但气动阀门动作过程中因气体本身的缓冲特性，不易因卡住而损坏，但必须有气源，在一些对控制要求高的厂还要专为气动仪表控制元件设置压缩空气站。且其控制系统也比电动阀门复杂.而电动阀门的要求就是有电就能对被控参数进行调节.
4.1。2电动阀门的选择
电动阀分两种,一种为角行程电动阀:由角行程的电动执行器配合角行程的阀使用，实现阀门90度以内旋控制管道流体通断;另一种为直行程电动阀:由直行程的电动执行器配合直行程的阀使用，实现阀板上下动作控制管道流体通断.通常在自动化程度较高的设备上配套使用。
这次设计，我们选择DKZ系列直行程电动调节阀.该执行器是由DKZ直行程电动执行器与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的。该执行器具有推力大。定位精度高，反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。与DFD电动操作器配合使用，可以在控制室进行自动手动切换。
图4—1电动阀门图
4。2 液位变送器的选择
测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4—20mADC、1—5VDC、0—10mADC的电流（电压）信号,或20-100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。
4。2。1常用的液位变送器
浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。导管内装有测量元件,它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号，并将电子单元转换成4～20mA或其它标准信号输出。该变送器为模块电路，具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点，电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路，可使输出最大电流不超过28mA，因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。
浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒，它是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作.该变送器利用液体静压力的测量原理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出.
电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示.电容式液位变送器由电容式传感器与电子模块电路组成,它以两线制4～20mA恒定电流输出为基型,经过转换，可以用三线或四线方式输出，输出信号形成为1～5V、0～5V、0～10mA等标准信号。电容传感器由绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。当料位上升时,因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数,所以电容量随着物料高度的变化而变化。变送器的模块电路由基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。采用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低，对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等.
超声波变送器分为一般超声波变送器（无表头）和一体化超声波变送器两类，一体化超声波变送器较为常用。一体化超声波变更新器由表头（如LCD显示器）和探头两部分组成,这种直接输出4~20mA信号的变送器是将小型化的敏感元件（探头)和电子电路组装在一起,从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。超声波变送器可用于液位。物位的测量和开渠、明渠等流量测量，并可用于测量距离。
这次大作业我们选择超声波变送器来测量液位.
4.2.2超声波变送器
与其他变送器相比,超声波变送器较好地解决了旋转式、压力式、电容式、浮子式等传统测量方式带来的粘莲、缠绕、堵塞、泄露、介质腐蚀、维护不便等缺点。该变送器有以下特点：适合恶劣工业场合;抗干扰性强及在线输出调节;换能器内置温度传感器，实现测量值的实时自动温度补偿；参数可通过RS485设置,屏蔽探头附近干扰信号;4~20MA电流输出，可选现场总线接口。
技术参数如下:工作温度：—10～+70℃；工作电源:DC12-24V/50mA；精度：±0。3%×量程或±1mm；防爆等级本安防爆：ExiaIIBT4；盲区：≤60mm～300mm（不同量程）；输出信号:4~20mA;RS485（可选）；外形尺寸：Φ55mm×119mm×G1 1/2 管螺纹;安装方式:G11/2管螺纹或Φ47mm圆孔(配锣环)。

图4-2超声波变送器

第五章 利用MATLAB进行仿真设计
5.1 传递函数的确定
由（2-8)得双容水槽2系统模型为：
（5-1）
对上式进行laplace变换，有：
（5-2)
则水槽2传递函数为：
（5—3）
取水槽1的横截面积为2m2，出口阀阻力系数0。5,水槽2的横截面积为2m2，出口阀阻力系数0。5,则水槽2传递函数为:
(5—4）
5。2 MATLAB仿真设计
在无干扰情况下,整定主控制器的PID参数，整定好参数后，分别改变P、I、D参数,观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰(白噪声）,比较有无干扰两种情况下系统稳定性的变化，串级控制系统框图如下：

图5—1 串级控制系统框图
5.2.1 整定主回路控制器PID参数
系统的MATLAB仿真框图如下（无噪声）：

图5-2 无噪声主回路控制系统的MATLAB参数整定仿真框图
（1）参数：K1=12 ，I1=1，D1=2

图5-3 无噪声主回路控制系统的MATLAB参数整定仿真框曲线图
(2）参数:K1=12 ，I1=4,D1=2

图5—4 无噪声主回路控制系统的MATLAB参数整定仿真曲线图
5.2。2 干扰对系统的影响分析
在无干扰最佳曲线下加入干扰，系统的MATLAB仿真框图如下(有噪声):

图5-5 有噪声主回路控制系统的MATLAB仿真框图
仿真曲线如下：

图5-6 有噪声主回路控制系统的MATLAB仿真曲线图
5.2。3 MATLAB分析结果
观察以上曲线可以初步看出，经参数整定,分别改变P、I、D参数后,使系统的性能有了很大的改善，并且加入干扰后，一段时间也能达到平衡。因此，研究出该调节器的PID控制参数为：K=12,I=4,D=2。

总结
对于这次双容水槽的控制系统设计，起先我们摸不着方向，尝试了几种不同的控制对象后，最后确定做双容水槽的控制设计。一来因为双容水槽在化工设备方面的应用十分广泛，二来因为我们对双容水槽有一定的了解.这次大作业让我们意识到自己所学的知识还很少，学的也不太扎实，书到用时方恨少。要完成控制系统的仿真设计,又去补习了MATLAB的相关知识，才完成了本次的大作业.我们的不足之处还请老师批评指正。

参考文献
[1]彭燕［1].过程控制课程中一个液位控制系统综合实验[J]。计算机与数字工程,2015，43(6）：1129—1131。
[2]刘静[1]。具有相互影响的液位过程自整定PID控制器设计［J]。伺服控制，2013,(6)：41—44.
［3]徐庆龙.智能PID算法在远程液位控制系统中的应用［J]。微计算机信息,2003,19（12)：19-20.
［4］李文睿。三容水箱液位的PID控制技术[J].山东工业技术,2016，0（1):15-15.
[5］刘志其［1］。双容水箱液位控制系统的建模及其PID控制算法研究[J]。科技风,2015，0（18)：95-96。
［6］陈鹏［1]。三容水箱预测PID控制方法研究［J].价值工程,2015,34（14)：46—48.
[7]朱慧妍[1]。水箱液位PID控制系统研究[J]。中国机械,2014，0(23）:237—238。
［8］童晨风［1]。一种改进的PID控制算法在水箱液位控制中的应用［J］。中国科技纵横,2014，（3）:50—50。
[9］王毅[1]。过程装备控制技术及应用.北京:化学工业出版社，2007：15—16.

计算机控制技术实验
—基于Mａtｌaｂ　的最少拍控制系统设计

学院：计算机科学与技术
班级:
姓名：
学号:
指导老师：
日期:

基于Matlab 的最少拍控制系统设计
一. 实验目的
学习使用 Matlaｂ　设计最少拍系统的方法。
二. 实验器材
x86　系列兼容型计算机，Ｍatlａb　软件。
三. 实验原理
1。　数字PID 系统设计
建立所示的数字PＩD　系统控制模型并进行系统仿真，已知：
，采样周期T＝0。1s。

2。　最少拍系统仿真
最少拍设计,是指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍）使系统输出的系统稳态误差为零。因此,最少拍控制系统也称最少拍无差系统或最少拍随动系统，它实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统调节时间最短或尽可能短，即对闭环Z传递函数要求快速性和准确性。下面以一个具体实例介绍最少拍系统的设计和仿真。
考虑图中所示的采样数字控制系统，被控对象的脉冲传递函数为

最少拍采样数字控制系统
设采样周期T=1s　，首先求取广义被控对象的脉冲传递函数:
广义被控对象

我们知道，最少拍系统是按照指定的输入形式设计的,输入形式不同，数字控制器也不同。因此,对三种不同的输入信号分别进行考虑:
(1）单位阶跃信号:
计算可得到最少拍数字控制器为

检验误差序列：

从E(z）看出,按单位速度输入设计的系统，当ｋ大于等于2之后,即二拍之后，误差e（k）=0,满足题目要求.
（2）单位速度信号:
原理同上，我们可以得到：

检验误差:

从E ( ｚ ）　看出,按单位速度输入设计的系统，当k　³ ２　之后,即二拍之后，误差e（k ）　= 0 ，满足题目要求.
（３）单位加速度信号：

可知，按加速度输入信号设计的系统当k大于等于３,即三拍之后,误差e(k）=０。
将所得结果分别用Matlａb中的Simｕliｎｋ 工具箱进行仿真，并将输入、输出和误差三条曲线放置在同一图像内,比较三种情况下的跟随特性。
四. 实验步骤
在三种输入（单位阶跃/速度／加速度)分别作用下,运用Ｓｉｍｕlink 对其控制结果进行仿真.
（1）单位阶跃信号：
系统Ｓimulinｋ 仿真模型框图如下图所示：

单位阶跃信号输入时最少拍控制系统

将示波器的数据存为矩阵形式,命名为y1
在Ｍatlab　命令窗口输入:
〉＞ plｏｔ(ｔouｔ(:,1），y1（：,2:4)）；
＞〉 hｏlｄ ｏn，lｅgend(＇ 输入'，＇误差’，'输出'）
可得输入、输出和误差三条曲线仿真结果如下图所示：

单位阶跃信号输入时系统的仿真结果
（2）单位速度信号：
控制系统Ｓｉｍulink 框图如下图所示：

单位速度信号输入时最少拍控制系统
将示波器的数据存为矩阵形式，命名为y２
在Ｍatｌab　命令窗口输入
>〉　ｐloｔ（touｔ(：,1），y2(：，2：4）)；　
〉＞ hold oｎ，legenｄ(' 输入’，＇误差’，’输出’）
可得输入、输出和误差三条曲线仿真结果如下图所示:

单位速度信号输入时系统的仿真结果
（3）单位加速度信号：
控制系统Siｍｕlink 框图如下图所示：

单位加速度信号输入时最少拍控制系统
将示波器的数据存为矩阵形式，命名为ｙ3
在Matlab　命令窗口输入
〉〉　ｐlot（tｏut(:,１)，y３（：,２：4）);　
＞〉 holｄ on,legeｎd(' 输入’,’误差’，’输出’）
仿真结果图如下图所示：

单位加速度信号输入时系统的仿真结果
五. 实验数据及结果分析
由上面的仿真结果图可知,按最少拍控制系统设计出来的闭环系统，在有限拍后进入稳态，这时闭环系统输出在采样时间精确的跟踪输入信号。如单位阶跃信号在一拍后，单位速度信号在两拍后，单位加速度信号则在三拍之后。然而，进一步研究可以发现虽然在采样时刻系统输出与所跟踪的参考输入一致，但在两个采样时刻之间,系统的输出存在着纹波或振荡。例如单位阶跃信号在一拍后的稳态响应仍有许多振荡。这种纹波不仅影响系统的控制性能，产生过大的超调和持续振荡,而且还增加了系统功率损耗和机械磨损。
六. 实验总结
在本次设计的过程中,我发现很多的问题，给我的感觉就是有点难,不是很顺手.在调试的过程中，遇到的问题更多，调试的过程是一个让人思考的过程,也是熟悉稳态方法和实践动手的好机会，顺着模块的顺序依次排查接线，出现问题，想出各种可能的情况,测试解决.通过这次的课程设计，锻炼了我的动手实践能力，让我有机会将课本所学的知识与实际相结合。切身体会到动手能力的重要。同时电路的设计修改也是我将知识整理融汇的过程,在某些课设涉及的地方我的理解更加深入了。今后随着学习的深入,还会有更加深入的理论方法,相信到时候我可以学会更多知识，将所学的知识学以致用。
基于MAＴLAB/ RTW的实时控制系统开发　
2004-４－3０ １４：３3:38
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新疆大学电气工程学院　张宏立
摘要:本文简要介绍了ＭATLAB的ＲＴW工具箱的功能和作用,并用一实例着重介绍了使用RTW中ＸPC开发实时控制系统的方法和步骤，为快速，高效开发实时控制系统提供有效手段。ﻫ关键词：MＡTＬAB RTＷ ＸPC 实时控制
ﻫ一 引言ﻫMAＴLAＢ是Ｍatｈworks 公司8０年代推出的优秀科学计算和系统仿真软件,它以丰富的函数、强大的工具箱和简便的编程环境而深受广大用户欢迎,尤其是它的Siｍulｉｎk工具箱更是为系统仿真和建模提供强有力的支持。但是说到MＡＴＬAB在实时控制方面的应用,就很少有人了解，关于这方面的资料也很少。而RTW（Reａl　Tiｍｅ　Workshop）正是Maｔｈｗorｋｓ 公司为MATＬAB在实时控制应用方面开发的专门工具箱[1］。ﻫﻫ二 RＴW功能介绍
RTＷ是对MATLAＢ和Sｉmulｉｎk功能的一个重要补充，以往我们在设计控制系统中，先在Ｓimｕliｎｋ中建模和仿真，直至仿真结果满意为止.但是真正要开发实际控制器时，我们需要重新使用Ｃ或者其它语言重新编程，而当设计好的控制器与实际被控系统相联后,可能控制效果就不如仿真效果那么理想了，因为在仿真时我们可能对模型作了一些假设和近似或忽略了实际系统可能受到的扰动和噪声,这样造成仿真与实际应用相脱节。RTW的产生解决了这个问题，RＴW支两种类型的实时目标设计[２]：一种是快速原型化目标设计,另一种是嵌入式目标设计。所谓快速原型化目标设计又叫半实物仿真，就是指可以用Simulink设计出来的控制器直接去控制实际的被控对象，通过半实物仿真过程来观察控制效果，如果控制效果不理想,则可以直接在Simuliｎk上调整控制器的结构或参数，直至获得满意控制结果　。这样调试好的控制器可以认为是实际控制器的原型(Proｔotｙｐe) ，显然此时的控制器显然要好于纯数字仿真下的控制器。

嵌入式目标设计就是将Simulink下调试好的控制器直接生成C语言程序，并经过编译、　
连接生成可执行的应用程序，下装并嵌入到控制用计算机上,使控制计算机可以脱离MＡTLＡB／Simulｉｎk环境直接用于实时控制 。ＲＴW工具箱提供了多个目标环境设置,例如有通用实时目标（GRＴ）、通用实时Malloc目标、Tornａdo目标、DOS目标等捆绑目标和实时视窗目标（RTWＴ）、ＸPC等独立目标.利用这些目标,用户能快速，高质量的完成系统原型化设计和实时系统构建。在众多的目标环境中,XＰC又以其完善的解决方案成为Matｈworks公司的推荐使用目标 。                                                            
三 XPC应用及实例ﻫXPC是ＲTW体系中的一个附加产品,它提供了一种用于系统原型设计,测试和生成嵌入式实时系统的解决途径［3］。它采用主机—目标机的“双机”模式　,主机用于运行MATLAB和Sｉｍulｉnk,而目标机则用于执行RTW和C编译器生成的可执行代码,目标机可以是任何286／３86/486／Pentium、AMD　K5/K6　的PC机和各种工控机。主机和目标机通过串口（ＲＳ232)或以太网（TCP/IP)连接。XPC包括两个部分，一个是XPＣ Tarｇeｔ,主要用于快速原型化设计（半实物仿真）,另一个是ＸPＣ Targｅt　Embedｅd Oｐtｉon 主要用于可将目标机构建成嵌入式实时系统 。有了XPC的支持我们在开发实时控制系统,就有了强有力的支持，下面就一实例说明在ＲTW/XＰC下开发实时控制系统的方法和步骤：ﻫ
1．Simulink环境下建模仿真
我们要开发一个水箱水位的控制系统,首先在Sｉｍｕｌiｎk中我们建立水箱的数学模型,控制器采用模糊控制器，搭建好仿真模型，保存模型文件名为zhl。mdl,调整隶属度和推理规则,然后进行仿真,为了观察控制效果，仿真模型的给定我们使用了方波，其仿真模型如图2所示，水位跟踪输入的仿真结果如图３所示。  　
ﻫ2． 原型化设计(半实物仿真)
先在目标机上安装Ａ/Ｄ和D/Ａ转换卡，本实例目标机使用研华６10工控机，Ｄ/A 、A/D采用PCL８18Ｌ（16路A/D、1路D/A、IＳA接口)，板卡与水箱系统连接。ＸPＣ的I/O模块库中提供了许多公司A/Ｄ、 Ｄ/A软模块,将仿真模型中的水箱模型用Ｄ／Ａ软模块代替，其反馈信号和给定信号分别接Ａ/Ｄ软模块不同通道，选用型号要与目标机上硬件板卡型号一致,模型如图４所示.ﻫﻫ3． 生成目标应用程序
首先要制作目标机的启动盘，将一软盘插入主机软驱，在MATLＡＢ命令窗口运行ｘｐｃsetup命令，在打开的对话框中单击【BootDisk】按钮即可制作目标机的启动盘，此启动盘含有高度优化的ＸＰC实时内核。目标机通过网卡与主机相连，配置好TCＰ/ＩＰ协议。用启动盘启动目标机,此时目标机上不 需要安装任何操作系统，在主机上将图3所示的仿真模型在ＲＴW环境下用ＸＰＣ提供的程序（xpctarｇｅt.tlc 、xpｃ_deｆaulｔ。ｔmf和makｅ.rｔw命令）创建生成C代码,并对其编译,连接(主机上必须要有VＣ５．0或ＢoｒlandC５.3以上版本编译器）生成可执行的目标应用程序,目标机中运行的XPC实时内核自动将其下载到目标机上。这些过程完成后，在MATLAＢ命令窗口输入stａrt(tｇ),目标应用程序即开始在目标机上运行，tｇ为目标应用程序对象名,这时开始半实物状态下的仿真,我们可以通过这一过程观察、测试实际被控对象的受控效果，如果认为控制效果不理想,可以对目标应用程序中对控制器的参数进行在线实时调整，一种比较方便且直观的方法是将Ｓimulink的仿真模式设为外部模式，这样Siｍuliｎk仿真模型就与目标机中的目标应用程序建立通讯联系,Simｕｌiｎk模块中任何参数改变，Simuliｎk都会将其下载到目标机中的目标应用程序中,而不必重新编译Simulinｋ模型和创建新目标应用程序。另外，在这一过程中用户还可以对目标应用程序实时运行过程中获取的信号进行跟踪、记录和显示，Siｍｕｌiｎk就好象是目标机的一个前台控制器,又是一个虚拟的数字示波器。
ﻫ４ 生成嵌入式目标应用程序ﻫ要生成嵌入式的、可单机运行的目标应用程序,需要XPＣ Targeｔ　Embｅdｅｄ　Ｏpｔiｏn模块支持。具体做法是:先制作一张DOS启动盘，将这张盘插入主机，在ＭATLAB命令窗口运行xpcｓetup命令，打开XPC　Target Ｓetuｐ对话框，将XPC Ｔａrgｅt Embeded Ｏpｔｉoｎ的Taｒgetboot属性设为Staｎdalｏne，再单击【ＢootDisk】按钮重新生成目标启动盘。这时的目标启动盘同时也是一张DOS启动盘，然后重复第3步的操作,重新将Sｉmｕlink模型生成可执行目标应用程序,由于Targeｔbｏot属性设置为Ｓtaｎdalonｅ，这时目标应用程序不会自动下载到目标机中,而是被放置在Mａtｌab当前工作目录下zhｌ＿ｘｐｃ_eｍb文件夹中，该文件夹中包含如下文件:zｈl.rtb、ａutoｅxec．bａt和ｘpｃ文件，zhｌ．rtｂ正是由zｈl．mｄl文件被RTW/XPＣ生成的且含有XPC内核的目标应用程序,autoeｘｅｃ.bａｔ文件作用是DOS操作系统根据它里面的内容来启动zhl。rｔｂ，xｐcbｏot。com文件包含了XPＣ Ｔarget Eｍbedｅd Optiｏn的信息。将这三个文件复制到制作好的目标启动盘中，用该盘启动目标机后,目标机不用再和主机之间通信，完全成为一个独立实时控制器来控制水箱水位，控制效果和半实物仿真效果完全一致 .也可将目标启动盘的有关内容复制到安装有ＤＯS操作系统PC机的硬盘，在ＢIOＳ中设置启动顺序为先从硬盘启动,那么这台PC机就可成为一台独立的嵌入式控制器.

四 结论ﻫ有了MAＴLＡB/RTW的支持，为我们开发实时控制系统提供了新的强有力的工具，可以大大提高开发效率,大大缩短开发周期,它的应用有着巨大的前景　。ﻫﻫ参考文献:
［ 1] 　MATＬAB帮助
[ 2]　 陈永春 从MATＬAB/Simulinｋ 模型到代码实现 清华大学出版社，2０02．10ﻫ[　3] 　薛定宇 基于MATLＡB/Simuｌｉｎｋ 的系统仿真技术与应用 清华大学出版社，20０1

作者简介ﻫ张宏立　1９７2．7,男，汉族,湖南宁乡人 工学硕士，讲师，主要方向：计算机仿真、智能控制

摘 要
锅炉是钢铁、石油、化工、发电等工业过程中必不可少的重要动力设备,所产生的高压蒸汽既可作为驱动的动力源,又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。例如电厂里的汽轮发电机，就是靠锅炉产生的一定温度和压力的过热蒸汽来推动的,化工厂里许多换热器的热源大多是锅炉提供的蒸汽.为适应生产的需要,锅炉的大小、型号也是各种各样。锅炉的大小是以锅炉每小时产生的蒸汽量来衡量的，小型锅炉每小时产几吨蒸汽,大的锅炉每小时能产2０0t　以上的蒸汽，蒸汽压力有高、中、低之分。在应用类型上,可将锅炉分为动力锅炉和工业锅炉，其中工业锅炉又分为辅助锅炉、废热锅炉、快装锅炉、夹套锅炉等。锅炉的燃料也各不相同,有燃气型、燃油型、燃煤型和化学反应型等.
锅炉产生蒸汽的压力和温度是否稳定、锅炉运行是否安全,直接影响到生产能否正常进行，更关系到人员和设备的安全与否，因此，锅炉的过程控制十分重要.工业蒸汽锅炉是一个复杂的控制对象,为了保证锅炉能够提供合格的蒸汽，生产过程中的各工艺参数必须严格控制。在这些工艺参数中,锅炉汽包水位是一个非常重要的参数，水位的大小不仅是影响蒸汽质量的主要因素,而且将水位控制在一定的范围之内是保证锅炉安全运行的必要因素.

关键词：锅炉汽包;三冲量；PLC;PID;

目 录
第一章 锅炉的工艺流程描述3
第二章 　锅炉汽包水位控制系统的设计６
2.1系统的硬件设计9
(1）　主控制器的设计9
(2） 检测电路的设计9
(3）输出控制电路１0
2.2系统软件设计：11
第三章 　PID调节规律的选择及参数整定1３
3．1 比例调节作用对系统性能的影响 13
3.2积分调节作用对系统性能的影响 13
3.3微分调节作用对系统性能的影响 1４
3。４整定的基本方法１4
（1）临界比例度法（闭环整定）14
(2）衰减曲线法(闭环整定）14
(３）反应曲线法（动态特性参数法)1４
(4)现场实验整定法14
３。5调节规律的确定原则1５
总结16
参考文献17
附录:18

第一章　锅炉的工艺流程描述
锅炉的工艺流程如图1．1　所示.

图1。1锅炉工艺流程图
燃料和热空气按一定的比例混合后进入燃烧室燃烧，加热汽包内的水产生饱和蒸汽Ds,经过热器后形成一定温度的过热蒸汽D，再汇集到蒸汽总管PM,最后经过负荷设备调节阀供给负荷设备使用.燃料在燃烧时产生的烟气，其热量一部分将饱和蒸汽变成过热蒸汽，另一部分经省煤器对锅炉供水和空气进行预热，最后由引风机从烟囱排入大气.
锅炉的正常运行必须要保持物料(水)平衡和热量平衡。在