单容水箱液位控制

单容水箱液位控制 单容水箱液位控制系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 摘要:本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。 关键字:单容水箱，水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID 一、前言 过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水;工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况;锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故;精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。 在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。 二、单容水箱液位控制系统建模 2.1液位控制的实现 除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位;水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中;最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。 2.2 被控对象 本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。 由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性: 水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱 V水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢出的情况2 下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。 图2-1 单容水箱结构图 2.3 水箱建模 -1)。要对该对象进这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱(图2行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。 如图2-1，设水箱的进水量为Q，出水量为Q，水箱的液面高度为h，出水12 阀V固定于某一开度值。若Q作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该21 被控对象的数学模型就是h与Q之间的数学表达式。 1 根据动态物料平衡关系有 dh (2-1) QQC,,12dt 将式(2-1)表示为增量形式 dh, (2-2) ,,,,QQC12dt ,QQQ,Qh式中，、、——分别为偏离某一平衡状态、、的增量; C,h1102020——水箱底面积。 QQQVdhdt 在静态时，=;=0;当发生变化时，液位h随之变化，阀处2112 Q的静压也随之变化，也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，2 液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为,QRV与成正比，而与阀的阻力成反比，即 ,h122 ,h,h,,QR, 或 (2-3) 22R,Q22 RV式中，为阀的阻力，称为液阻。 22 将式(2-3)代入式(2-2)可得 dh, (2-4) RChRQ，,,,221dt 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得: HsK()R2Gs(),,, (2-5) 0QsRCsTs()11，，12 式中，T=RC为水箱的时间常数(注意:阀V的开度大小会影响到水箱的时间常22 Qs()RRs/数)，K=R为过程的放大倍数。令输入流量=，为常量，则输出液位2100 的高度为: KRKRKR000Hs(),,, (2-6) sTsssT(1)1/，， 1,tThtKRe()(1),,即 (2-7) 0 ,hKR(),,,当t时， 因而有 0 h(),输出稳态值K,, (2-8) R阶跃输入0 当t=T时，则有 ,1hTKReKRh()(1)0.6320.632(),,,,, (2-9) 00 式(2-7)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。由式(2-9)可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。 h(t)2 h( )002 000.63h( )2 0Tt 图2-2 阶跃响应曲线 三、液位控制系统中的PID算法控制 数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。 3.1 PID控制原理 一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。 比例 + u(t) c(t) r(t) + e(t) + 被控对象 积分 - + 微分 图3-1 模拟PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 (3-1) etrtct()()(),, 将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为 t，，Tdet()1D (3-2) utKetetdt()()(),，，P,,,0Tdt，，I 写成传递函数形式为 Us()1GsKTs()(1),,，， (3-3) PDEsTs()I K式中 ——比例系数; P T ——积分时间常数; I T ——微分时间常数; D 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下: 1、比例环节 K用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度P K越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值P过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 2、积分环节 TT主要用来消除系统的稳态误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过II小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若T过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 I 3、微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的 T变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延D 长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。