基于Labview的单容水箱液位控制系统.doc

控制理论模块项目驱动实践报告 基于Labview的单容水箱液位控制系统 学 院： 电气工程与自动化 专业班级： 自动化151班 学 号： 2420152857 学生姓名： 廖 梓 柔 指导老师： 任 金 霞 时 间： 2017.6.23 摘 要本文是基于Labview的单容水箱液位控制系统的设计过程，涉及到Labview的应用、数据采集、水箱系统的建模、PID算法、液位的动态控制等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法。选用合适的器件设备、控制方案和算法，能够最大限度地达到系统对调节时间、超调量、稳态精度等控制性能的要求。Labview 程序称为虚拟仪器 (VI) ，拥有的整套工具可用于采集、分析、显示和存储数据，以及解决用户在编写代码过程中可能出现的问题。本设计通过Labview输入控件和显示控件创建用户界面（前面板）。输入控件指旋钮、按钮、转盘等输入装置。显示控件指图形、指示灯等输出显示装置。结合数据采集卡的应用建立水箱惯性系统的模型。在水箱建模的基础上利用matlab仿真获得最优PID控制参数。前面板创建完毕后，使用 VI 和结构控制前面板上水箱的输入电压，通过NI数据采集卡采集液面高度反馈的电压，从而实现对水箱液面高度的PID调节，从而达到对一阶水箱的液位控制。关键词： Labview;水箱建模；数据采集；PID控制目 录第一章 绪论11.1设计背景及意义11.2设计目的11.3 设计要求2第二章 系统总体设计32.1系统设计原理32.1.1水箱液位变化的原理32.1.2水箱液位控制的原理32.2水箱液位系统的控制模型4第三章 设计准备53.1硬件准备53.1.1水箱比例系数的调节53.1.2数据采集卡（DAQ）73.2软件安装83.2.1Labview的安装83.2.2DAQ的安装93.2.3PID控制器的安装10第四章 设计过程114.1水箱系统建模114.1.1水箱建模原理114.1.2建模数据采集144.1.3数据处理174.1.4确定水箱参数194.2基于matlab的数据仿真204.3 PID参数的选取214.3.1比例控制（K）214.3.2积分控制（I）234.3.3微分控制（D）234.3.4比例积分控制（PI）244.3.5比例积分微分控制（PID）244.3.6PID参数的确定25第五章 最终控制及调试265.1最终控制的Labview设计265.1.1PID控制前面板的绘制265.1.2PID控制程序框图的绘制275.1.3各模块的功能275.2调试28致 谢30参考文献31第一章 绪论1.1设计背景及意义大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多或及时补水的情况，可以很好的节约资源，有效的降低成本。深入地研究液位控制系统,能给工业过程控制的理论研究和实践应用提供非常重要的指导资料，因此对水箱液位控制算法进行研究对实际的工程应用具有很重要的意义。1.2设计目的该实践旨在使学生在深入消化控制理论课堂教学内容的基础上，综合运用所学课程的基本原理与方法，解决实际设计与应用问题，提高学生分析问题与解决问题的能力，并在设计过程中，学会查阅资料、系统设计、调试与分析、撰写报告等，达到综合能力培养的目的。1. 根据自动控制系统的设计要求，学会方案比较和论证，初步掌握工程设计的基本方法；2. 了解水箱的工作原理及单容水箱控制系统的结构、组成与数学建模方法；3. 进一步了解和掌握PID控制的方法和应用，合理的整定PID的控制参数，取得良好的控制效果；4. 在学习、运用现在所学知识的同时，回顾以前所学知识，运用到设计中来，加强知识的系统性学习及知识的衔接、融合。5. 提高总结归纳、撰写设计报告的能力，应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果。1.3 设计要求1.了解水箱的工作原理，画出单容水箱液位控制系统的方块图。2.用接好线路的单回路系统进行投运练习，对系统建模。3.设计控制器，整定P、PI和PID三种调节器的参数，写出三种调节器的稳态误差和超调量、调节时间。4. 控制器的实现，实现水箱液位的闭环控制。第二章 系统总体设计2.1系统设计原理2.1.1水箱液位变化的原理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2.1.2水箱液位控制的原理简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示。除模拟PID调节器外，可以采用计算机、ARM 实现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ARM中，由ARM将数字信号转换成模拟信号。最后，由ARM的输出模拟信号控制水泵，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。图2-2 单容水箱液位设计控制框图2.2水箱液位系统的控制模型该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下图2-3 水箱控制系统原理框图第三章 设计准备3.1硬件准备3.1.1水箱比例系数的调节本次课程实践采用的单容水箱为杭州求是教仪公司生产的ACT-YK1单容水箱，如图3-3所示。水泵由功率放大器电路控制。输入水量从顶部进入水箱,流出水量从流量控制阀门底部流出。压力传感器的输出电压作为控制面板的输出电压，输出电压范围010V。输入电压010V。通控制器、开关控制可实现闭环PID控制。图3-1 ACT-YK1单容水箱本课题采用的单容水箱型号为ACT-YK1。220V交流电压供电。输入输出电压均为010V。ACT-YK1型实验对象的监测模块为一个压力传感器如图，型号为PT330-4K14。量程04Kpa。螺纹：M20*1.5，输出电压010V，此模块内部电路有一个调节电路，如图 所示有两个可调电阻，左为调零电阻，右为比例调节电阻。执行装置为一个水泵，型号为FLO-2201。额定电压为12V。由于控制输入电压为010V，即控制电路为一个将小控制信号转化为大控制电压的放大电路。图3-2 PT330-4K14压力传感器为方便计算，本次设计将水位为0刻度时调节调零旋钮至对应电压调为0V，满位30cm刻度时，对应电压调成5V，此时水箱满足:水位高度(h)=电压值6调整结果如下:图3-3 水箱比例系数的调节3.1.2数据采集卡（DAQ）本次课题采用NI USB-6009数据采集卡以及Labview2013的共同控制。NI myDAQ提供了八种常用的基于计算机和Labvie的即插即用型实验室仪器，包括万用表(DMM)、示波器和函数发生器。学生可使用所有可立即运行的软件仪器进行实验和练习，包括伯德图分析仪、任意波形发生器、动态信号分析仪（快速傅里叶变换）、数字输入和数字输出。 该平台包含一个数据采集引擎，可用于测量两个差分模拟输入和模拟输出通道（200 kS / s，16位，10 V）。还可通过8 条数字输入和数字输出线（兼容3.3 V TTL）连接低电压TTL(LVTTL)和5 V TTL数字电路。 NI myDAQ通过+5 V、+15 V和-15 V电源输出（功率高达500 mW）为简单的电路和传感器提供充足的电量。 直流电压和电流以及电阻、二极管电压和连续性。图3-4 数据采集卡数据采集卡各个端口如下图所示：图3-5 数据采集卡各端口3.2软件安装本设计是基于Labview的单容水箱液位控制系统，在设计之应做好设计过程中相应的软件准备，对即将使用的软件进行必要的了解，掌握并熟悉基本的操作3.2.1Labview的安装因此次试验的数据采集卡（DAQ）是来自美国美国国家仪器(NI)有限公司的版本，基于此硬件环境，安装Labview2013,如图所示：图3-5 Labview的安装3.2.2DAQ的安装DAQ是英文Data Acquisition （数据采集）的缩写。广泛应用于电子、信息、科技、检测、试验领域。 数据采集（DAQ）是指测量：电压、电流、温度、压力、声音、编码数据等电气或物理现象的过程。图3-6 DAQ的安装3.2.3PID控制器的安装 因Labview中只提供单独的比例、微分、积分控制器未提供此次试验可直接使用的PID（比例-积分-微分控制器）控制模块，为提高实验效率和精度，在Labview2013以及DAQ安装完成之后，在Labview中添加PID控制模块的安装。第四章 设计过程4.1水箱系统建模4.1.1水箱建模原理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。（1） 确定过程的输入变量和输出变量如下图所示，流入水箱的流量是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量是过程的控制输入（即操纵量），出料流量是外部扰动。本设计以进料流量作为输入变量。图4-1 水箱液位过程及其阶跃响应曲线（2）根据过程内在机理，列写原始方程根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其静态方程为：-=0（41），、分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量突然增大是，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为：-=（42）=、，、分别为和的增量。设水箱截面积为A，则有V=AL，其增量形式为dV=AdL，即：（43）。将=、和式（43）代入式（42），得 （44）。 将式（14）减去式（41）可得用新增量形式表示的动态方程式，为： （45）（3）消去中间变量，简化，求的微分方程式中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输入变量也不是输出变量的工艺变量。式（45）中，为中间变量。与输出变量L的关系可表示为：= ：比例系数 （46）当只考虑液位与流量均在有限小的范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（46）改写成增量形式： 令，则有： （47）将式（47）代入式（45）中，即得 （48）式（48）即为水箱液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程的标准形式： （49）或 （410）为一阶过程的时间常数，,具有时间量纲；为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；为一阶过程的输出变量；为一阶过程的输入变量；为阻力系数，=液位的变化量 / 出料流量的变化量；为容量系数，=储存的物料变化量/ 液位的变化量。当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由一段物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间才能流入水箱，使液位发生变化并被检测出来。显然液体流经这段距离所需时间完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为：具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数、时间常数和纯滞后时间有关。综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数、时间常数和纯滞后时间这三个特性参数来全面表征。该时间常数T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。 图4-2 阶跃响应曲线4.1.2建模数据采集在NI中新建VI模块，添加数值输入控件、DAQ助手及波形显示等相关控件。数值的作用是给定期望电压。图4-3 数据采集面板DAQ助手2的作用是生成电压并限定电压输出范围，将给定的电压数值（05V）输送给水箱；在添加时，设置对应通道，将NI数据采集卡对应的端口与水箱对应端口相互连接：图4-4 DAQ助手的设置图中DAQ助手1的作用是测量电压并采集数据, 在添加时，设置对应通道，将NI数据采集卡对应的端口与水箱对应端口相互连接详细设置如下所示，设置为连续采样，采样率为1Hz，并开启记录数据功能，即可将实验过程中数据记录下来并保存为表格形式：图4-5 DAQ助手2的设计波形图表的作用是直观地显示水箱水位的变化过程，由此图表，可以清晰地判断系统液位的上升趋势、是否达到稳定，何时达到稳定。图4-6 波形图表4.1.3数据处理采集后的数据如下所示，每个数据为每秒采集到的水箱电压值：图4-7 采集数据显示运用matlab编程，以采样时间为横坐标，电压值为纵坐标，画出系统响应曲线图：图4-8 matlab编程图4-9 系统输出响应曲线4.1.4确定水箱参数一阶系统的参数模型为 KTs+1 ,T的求取方法如下：Matlab拥有强大的功能，用matlab中提供的cftool函数所得系统响应，设定拟合参数及拟合函数形式，结果如图（4-10）所示：图4-10 系统响应曲线拟合图4-11 系统响应曲线拟合根据一阶水箱建模原理，求得水箱的系统参数T=236；K的求取方法如下：给定一个3V的输入电压，在干扰的共同作用下系统达到平衡时水位的高度h1,令扰动为0，重新给定3V电压是系统运行，当系统输出达到3V时，读取液面高度h2,比例系数 K= h1h2 ,由实践结果，K=0.469。由此确定水箱的传递函数为 2360.469s+1 。4.2基于matlab的数据仿真4.2.1程序框图的绘制水箱实际控制操作繁琐响应缓慢，且不易修改参数，因此，为获得最佳PID参数，用matlab中的simulink仿真系统实现的响应过程，程序框图如图4-12 simulink程序框图4.3 PID参数的选取4.3.1比例控制（K）比例控制规律是指：控制器的输出信号(指变化量)与输出信号（指偏差、当设定值）变时，偏差就是被控量测量值的变化量）之间成比例关系，即： 比例增益：某值在一定范围内可调,在相同偏差输入下，越大，输出也越大，比例控制作用越强，因此是衡量比例作用弱的一个重要参数。 比例控制器传递函数：在阶跃偏差作用下，比例控制器响应曲线：在阶跃偏差作用下，比例控制器响应曲线：图4-13 比例控制响应曲线比例控制是最基本的控制规律，其特点是控制作用简单，调整方便，且负荷变化时，克服扰动能力强，控制作用及时，过渡过程时间短，但因控制器的输出信号与偏差信号之间在任何时刻都存在之比例关系，所以过程终了时存在偏差，且负荷变化越大，余差也越大。比例控制对系统控制质量的影响比例控制的控制作用效果如何，关键问题在于选择合适的比例度，比例度时指控制器输入的变化相对值与输出的相对变化值之比的百分数，即： 控制器的输入信号的变化量，即偏差信号。：控制器的输出信号的变化量，即控制命令。：控制器的输入信号的变化范围，即量程。：控制器输出信号的变化范围。将比例控制器切入系统，闭环运行时其比例度对系统过渡过程的影响如图：图4-14 不同比例度下的过渡过程 （1）余差：在扰动（如负荷）及设定值变化时，控制系统有余差存在。在相同的负荷变化量的扰动下，比例度越小，余差越小；在比例度相同的情况下负荷变化量越大，则余差越大。（2）对系统稳定性的影响：有图可看出，比例度越大，过渡过程的曲线越平稳;随着比例度的减少，系统将发散振荡程度增加，衰减比减少，稳定性变差，当减少到某一数值时，系统将发散振荡，十分危险，有时甚至造成重大事故。（3）对系统过渡过程的影响：由图可见，随比例度的减少，振荡加剧，振荡频率提高，将被控量拉回到设定值所需时间就短。一般而言，在广义对象的放大系数较小，时间常数较大，时滞较小的情况下，比例度选的小些，以提高系统灵敏度；反之，当广义对象的放大系数较大，时间常数较小，而时滞较大的情况下，必须适当增大比例度以增加系统的稳定性。（4）对最大偏差的影响：最大偏差在两类外作用下不一样，在扰动作用下越小，最大偏差越小；在设定作用下是系统处于衰减振荡时，越小，最大偏差越大。有上述可知，只有当比例度的取值适当是，才可能取得系统呈衰减振荡、最大偏差和余差都不太大，过程稳定快，回复时间短的控制效果，在工业生产中近长期实践经验，液位控制系统大致取值范围为： 20%80%。在控制器的控制规律中，比例作用是最基本、最主要也是应用最普遍的控制规律，它能较为迅速地克服扰动的影响，使系统很快的确定下来，通常使用干扰幅度较小，负荷变化不大，过程时滞较小，控制要求不高，允许有余差存在的场合。在液位控制系统中，往往只要求液位稳定在一定范围内，并没有严格要求即可采用比例控制。4.3.2积分控制（I）积分控制规律是指输出变化量与输入变化量积分成正比，即: :积分速度积分控制特点：积分控制主要用于消除余差，但作用缓慢，总滞后与偏差的存在不能及时有效的克服扰动的影响，致使被控变量的动态偏差增大，控制过程拖长，甚至使系统难以稳定，因此积分控制规律在工业生产上很少单独使用，都是与比例作用组合来使用的。4.3.3微分控制（D）微分控制规律是指其输出信号的变化量与偏差信号的变化速度成正比，即： ：微分时间。微分控制规律特点：微分控制作用是按偏差的变化速度进行控制的，因此它具有“超前控制”作用，其控制的结果不能消除偏差，所以控制规律不能单独使用。它常与比例或比例积分组合构成比例微分或比例积分微分控制规律，而从实际使用情况来看，比例微分控制规律使用的较少，在生产上微分往往与比例积分结合在一起使用，组成PID控制。4.3.4比例积分控制（PI）比例积分控制规律是比例作用与积分作用的叠加，其数学表达式为： ：比例项 :是积分项 :积分时间 比例积分控制是在比例控制作用的基础上引入积分作用来消除余差，故比例积分控制是使用最多、应用最广的控制规律，在反馈控制系统中，约有75%是采用PI作用的。但是，加入积分作用后，会使系统稳定性降低；要保持系统原有的稳定性，必须加大比例度（即削弱比例作用），这又会使2质量有所下降，如最大偏差和振荡周期相应增大、过渡时间加长。对于控制通道滞后较小、负荷变化不太大、工艺、参数不允许有余差的场合（如流量或压力控制），采用比例积分控制规律可获得较好的控制质量。4.3.5比例积分微分控制（PID）理想比例积分微分控制规律PID的表达式：虽然微分作用对于克服容量滞后有显著的效果，但对克服纯滞后是无能为力的。在比例作用的基础上加上微分作用能提高系统的稳定性，再加入积分作用可以消除余差。所以适当调整、三个参数，可以使控制系统获得较高的控制质量。由于，PID控制规律集中了三种控制作用的优点，既能快速进行控制，有能消除偏差，还可以根据被控制变量的变化趋势超前动作，具有较好的控制性能，所以在实际应用中得到广泛应用。4.3.6PID参数的确定依据此次实践要达到的相应快，误差小，且鉴于该水箱为一阶水箱，经反复实验得在P控制器下系统所达到的效果最佳。在P控制器的作用下，该闭环控制系统始终为一阶控制，不会引起超调，在增加Kp参数值的情况下，响应会不断加快。但考虑到实际上的应用，盲目的Kp是不可实现的，因此设置参数Kp=500,Ki=0,Kd=0,使得响应合理又迅速。如图（4-15）所示图4-15 PID控制仿真曲线第五章 最终控制及调试5.1最终控制的Labview设计5.1.1PID控制前面板的绘制图5-1 PID控制前面板5.1.2PID控制程序框图的绘制图5-2 PID控制程序框图5.1.3各模块的功能（1）滑动杆：设定05v中任意的给定电压；（2）数值：通过乘法器与常数6（即水箱液面与电压的对应关系）后显示实时液面高度；（3）波形图表：通过乘法器与常数6（即水箱液面与电压的对应关系）后显示液面高度随时间的变化而变化的过程；（4）PID：通过对P、I、D各参数的调节而实现对液面的最优控制；（5）DAQ助手:将采集的数据通过采集卡记录到电脑中；（6）DAQ助手2：通过采集卡从电脑中输出给定电压；（7）while循环：使整个运行能够持续进行。5.2调试在实际操作过程中，系统往往会受到一定外界环境的影响，以至于造成偏差。因此，调试过程要根据实际情况操作，在之前仿真结果的基础上，对水箱，PID控制器参数进行适当的调整，实现水箱液位快速准确地达到期望值，并达到一定的稳态精度的目的。 调试过程如下：(1)在稳定值输入框中输入你想要稳定的液面高度，观测实验达到稳态需要的时间并计算稳态精度；(2)将建模得到的PID参数输入，查看并实验现象。如若不合适，则自行调整PID。（3）改变扰动量，查看实验现象，判断系统