單容水箱液位控制系統(tǒng)

1、濱州學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱 工業(yè)自動(dòng)化儀表與過程控制 課題名稱 單容水箱液位控制系統(tǒng) 專 業(yè) 自動(dòng)化 班 級 08電本一 學(xué) 號 2008090124 姓 名 孫運(yùn)柱 指導(dǎo)教師 劉瑞歌 單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、單容水箱液位控制系統(tǒng)建模1.1液位控制的實(shí)現(xiàn)除模擬PID調(diào)節(jié)器外，可以采用計(jì)算機(jī)PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計(jì)算機(jī)中；最后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，由單片機(jī)的輸出模擬信號控制交流變頻器，

2、進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。1.2 被控對象本設(shè)計(jì)探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數(shù)，有必要知道被控對象上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。由圖1-1所示可以知道，單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。圖1-1 單容水箱結(jié)構(gòu)圖1.3 水箱建模這里研究的被控對象只有一個(gè)，那就是單容水箱（圖2-1）。要對該對象進(jìn)行較好的計(jì)算機(jī)控

3、制，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個(gè)自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法進(jìn)行建模。如圖2-1，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）將式（2-1）表示為增量形式 （2-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量； C水箱底面積。 在靜態(tài)時(shí)，=；=0；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性

4、關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可近似認(rèn)為與成正比，而與閥的阻力成反比，即 或 （2-3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將式（2-3）代入式（2-2）可得 （2-4）在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： （2-5）式中，T=R2C為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會(huì)影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），K=R2為過程的放大倍數(shù)。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為： (2-6)即 （2-7）當(dāng)t時(shí)， 因而有 （2-8） 當(dāng)t=T時(shí)，則有 （2-9）式（2-7）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。由式（2-9）可知該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所對應(yīng)的時(shí)間，就是水箱

5、的時(shí)間常數(shù)T。該時(shí)間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間就是時(shí)間常數(shù)T。圖2-2階躍響應(yīng)曲線二、液位控制系統(tǒng)中的PID算法控制數(shù)字PID控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字PID控制算法及其具體應(yīng)用。2.1 PID控制原理 一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)圖3-1 模擬

6、PID控制系統(tǒng)原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差 (3-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為 (3-2)寫成傳遞函數(shù)形式為 (3-3)式中 比例系數(shù)； 積分時(shí)間常數(shù)； 微分時(shí)間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)

7、速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié) 主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應(yīng)過程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。3、微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但過大，會(huì)使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。3、 軟件設(shè)計(jì)3.1 控制窗口設(shè)計(jì)3.2 控制算法設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在監(jiān)控界面中可以選擇控制對象和控制算法，可以點(diǎn)擊手動(dòng)/自動(dòng)按鈕改變控制方式，自動(dòng)控制時(shí)可以從鍵盤輸入設(shè)定值、控制參數(shù)，手動(dòng)控制時(shí)可以輸入閥門