随着生产水平和科学技术的不断发展,现代控制系统的规模日趋大型化、复杂化,对设备和被控系统安全性、可靠性和有效性的要求也越来越高。为了确保工业生产过程高效、安全的进行,保证并提高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。 三容水箱液位控制系统试验装置是模拟工业生产过程中对液位、流量参数进行测量、控制、观察其变化特性,研究过程控制规律的科研产品,具有过程控制中动态过程的一般特点—大惯性、大时延、非线性,难以对其进行精确控制,从而使其成为控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。因此,三容水箱液位控制系统在耦合非线性系统的监控和故障诊断算法的研究中得到了广泛的关注。本文以三容水箱液位控制系统为对象,应用MATLAB对其动态运行过程进行了仿真,基于控制软件平台实现了多变量过程的在线监测。 本课题首先深入分析了三容水箱液位控制系统工艺流程及其运行过程的静、动态特性。应用MATLAB对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真,研究了系统的运行特性,基于测量得到的液位值,实现了对比例阀开度的控制,分析了各水箱连接导管内液体流量的变化规律。并通过编写基于MATLAB的S函数,运用动画仿真技术对三容水箱系统的运行过程进行了更为直观、逼真的模拟。在MATLAB仿真环境下设计M文件,实现了友好的用户界面,使得在系统仿真过程中能够方便、准确的对相关参数进行设置、显示和跟踪。 另外,本文以三容水箱液位控制系统为例,对基于观测器的故障诊断理论进行了仿真研究。首先,对三容水箱系统的非线性数学模型进行线性化处理,并在此基础上设计了基于观测器的故障诊断滤波器。然后,对三容水箱液位控制系统可能出现的传感器故障进行了仿真研究。实验结果表明,故障诊断滤波器对发生在不同传感器上的故障进行了有效的检测。 最后,本文基于Visual C++6.0环境进行了三容水箱液位控制系统软件平台的设计与开发。该软件平台不但提供了人机接口与积分分离PID控制算法程序,而且还具有实时数据采集、实时数据运行曲线显示、实时数据的保存、历史数据的查阅和控制参数的设定等多种功能,同时也实现了多变量过程的在线监测。