PID水箱液位控制

摘要在人们的生活和工业生产等很多领域，经常涉及液位和流量的控制问题，如居民的生活用水的供给、饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等很多行业的生产加工过程，通常需要使用蓄水池，蓄水池的液位需要保持适当的高度，溢出而浪费的情况也少因此，液位高度是工业控制过程中的重要参数，特别是在动态状态下，用适当的方法检测和控制液位，能取得良好的效果。 PID控制(比例、积分、微分控制)是目前采用最多的控制方法。本文主要在一水箱液位控制系统的设计过程中，涉及液位动态控制、控制系统建模、PID算法、传感器和调节阀等一系列知识。 作为单罐液位的控制系统，其模型为一次惯性函数，控制方式采用PID算法，调节阀为电动调节阀。 选择合适的设备设备、控制方案和算法，是为了最大限度地满足系统对控制质量的要求，如控制精度、调节时间和过冲量。 利用Matlab模拟，调整了PID参数，得到了模拟曲线，得到了调整参数，控制效果好，实现了油箱级的控制。关键词： PID控制过程控制液位控制MatlabI目录摘要I第一章绪论11.1过程控制的定义11.2过程控制的目的11.3过程控制的特征21.4过程控制的发展和趋势2第二章储罐液位控制系统的原理32.1手动控制和自动控制32.2储罐液位控制系统的原理方框图42.3储罐液位控制系统的数学模型5第三章水箱液位控制系统的构成83.1被控制的变量的选择83.2执行元件的选定83.3 PID控制器的选定113.4液位变送器的选定12第四章PID控制规则144.1比例控制144.2积分控制(I)164.3微分控制(D)164.4比例积分控制(PI)174.5比例积分微分控制(PID)17第五章基于MATLAB的模拟设计185.1 MATLAB设计185.2 MATLAB设计任务185.3 MATLAB设计要求185.4 MATLAB设计任务分析195.4 MATLAB设计任务分析205.5 MATLAB设计内容245.5.1主电路的设计245.5.2子电路的设计245.5.3主、副电路的匹配245.5.4单环路PID控制的设计255.5.5系列控制系统的设计30心得33参考文献34第一章绪论1.1过程控制的定义生产过程的自动化，一般是指石油、化工、冶金、焦炭、造纸、建材、陶瓷和电力发电等工业生产中连续或在一定过程中进行的生产过程的自动控制。 一般不包含电力拖动和电机运行等过程的自动控制。 使用模拟或数字控制方式自动控制生产过程中的一个或几个物理参数称为过程控制。 过程控制是自动控制学科的重要分支，是过程控制系统的分析和集成。1.2过程控制的目的在生产过程中，各过程的物理量(或过程变量)有一定的控制要求。 一些过程变量直接表现了生产过程，对产品的数量和质量起着决定性的作用。 例如，精馏塔塔顶或塔釜温度，一般操作压力不一定，无法得到合格品的加热炉出口温度的变动不可超过允许范围。 否则，如果影响后段效果的化学反应器的反应温度不稳定，就不能把效率作为指标。 有些工艺变量虽然不直接影响产品质量和数量，但保持稳定性是良好控制生产的前提。 例如，用蒸汽加热反应器，用沸腾器蒸汽的总压力变动剧烈的情况下，很难控制反应温度和塔釜温度的中间罐的液面水平的高度和罐压力，如果不维持在容许范围内，就不能平衡材料，维持连续的均衡生产。 有些过程变量是决定安全生产的因素。 例如，锅炉鼓的水位、受压容器的压力等，如果不超过规定的限制，就会威胁生产安全。 一些过程变量直接鉴定产品的质量。 例如，减少某混合气体环境污染对环境的影响也包含在过程控制的目标范围内。如上所述，过程控制的主要目标是：保障生产过程的安全和稳定达到预期的产量和质量尽量减少原材料和能量损失将生产对环境的危害抑制到最小限度。“装装装点菜线”由此可见，生产过程自动化是维持生产稳定、降低消费、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、提高生产稳定和劳动生产率的重要手段，是20世纪科学和进步的特征、市工业现代化的指标之一。1.3过程控制的特征生产过程的自动控制一般要求保持过程进行中的相关参数是一定的值，或按照一定的规则变化。 显然，过程参数的变化不仅受到外界条件的影响，而且对它们之间也有很多影响，这增加了一些参数的自动控制的复杂性和困难，过程控制具有以下特征被控制对象的多样性对象有滞后现象对象特性的非线性控制系统复杂。由于对象的特性不同，其输入和输出可以是多个，控制系统的设计适应于这些不同的特征，确定控制方案及其设计或选定，以及控制器特性参数的计算和设定。 这些都是基于对象的特性，但对象的特性复杂，难以识别，用理论计算完全进行系统设计和调整至今也是不可能的。 当前设计的各种控制系统(例如，简单比特控制、单电路和多电路控制和前馈控制、计算机控制系统等)以现场方式经由必要的理论计算来实现过程控制的目的。1.4过程控制的发展和趋势20世纪40年代开始形成的控制理论成为“20世纪前半年的三大功绩之一”，对人类社会的各个反面都产生了很大的影响。 和其他学科一样，控制理论来源于社会实践和科学实践。 自动化技术的先驱可以追溯到我国古代，如指南车的出现。关于工业应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器为起点。 有人把20世纪30年代末时期的控制理论作为第一代控制理论，第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数学方法是微分方程的分析方法。 此时的系统(包括过程控制系统)是一个简单的控制系统，仪表是基地式的，尺寸大，满足当时的需要。 第二次时间战争前后，控制理论有了很大的发展，Nyquist(1932 )和Bode(1945 )的频率法分析技术和稳定标准，Evens根轨迹分析方法的建立，使经典控制理论发展到了成熟阶段，这是第二代控制理论。 从20世纪50年代开始，随着工业的发展，控制需求的提高，除了简单的控制系统以外，还发展了各种复杂的控制系统，取得了显着的效果。 20世纪60年代，现代控制理论迅速发展，它基于状态空间法，以极小值原理和动态规划等最佳控制理论为特征，在随机干扰下采用Kalman滤波器的线性二次型系统(LOG )设计中宣告时域法的完成，这是第三代控制理论。 从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化和控制问题，现代控制理论与优化和控制相结合，发展为大系统理论。 过程控制是随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段：基地式控制阶段(初级阶段)、单元组合仪表自动化阶段，计算机控制的初期阶段，综合自动化阶段。第二章储罐液位控制系统的原理2.1手动控制和自动控制下图是水箱液位控制系统的示意图，人工控制示意图中，为了使水箱液位保持一定，作业人员必须根据液位高度的变化来控制净水量。 手动控制的过程主要分为三个步骤用眼睛观察水箱液位的高低，取得测定值，通过神经系统传递给大脑大脑根据可见水位的高度，与设定值进行比较，得到偏差的大小和方向，根据操作经验发出控制命令根据大脑的命令，双手改变供水阀(或供水阀)的开度，使水箱液位保持在工艺要求的高度。在全手工作的控制过程中，工作者的眼、脑、手三个器官分别承担着检查、判断、运算、执行三个作用，在求测量、偏差、加以控制操作纠正偏差的工作过程中，使水箱的液面水平保持一定。手动控制自动控制如果采用计量器和自动控制装置代替人工控制，就成为过程控制系统。 在自动控制示意图中，系统受到干扰作用时，被控制变量(液面水平)发生变化，通过检测仪表得到该测定值的控制器接收从液位测定变送器发送来的信号，与设定值进行比较并计算偏差， 按某运算规则运算并输出控制信号的控制阀接收控制器的控制信号，根据其大小改变阀的开度，调整供水量克服干扰的影响，使被控制变量返回设定值，最终使罐水平一定。 请求的控制任务现在已经完成。 这些自动控制装置和被控制的过程设备都直接构成了蔡玉的自动控制系统。2.2储罐液位控制系统的原理框图在本论文中，水箱液位控制系统的设计是简单的控制系统，所谓简单液位控制系统，通常是指由一个被控制对象、一个检测变压器单元(检测元件和变送器)、一个控制器和一个致动器(控制阀)构成的单通系统简单的控制系统具有共同的特征，它们由四个基本环节组成。 即被控制对象、测定移送装置、控制器和致动器。 在不同对象的简单控制系统中，可用相同的方框图来表示，但其具体装置和变量不同被控制变量扰动偏差驾驶变量控制器致动器被控制对象测量变送器扰动通道。根据该简单控制系统通用的框图，设计水箱液位控制系统的原理框图如下液面变送器PID控制器电动控制阀阀器液面水平_油罐2.3储罐液位控制系统的数学模型该系统主要是自平衡的非振动过程，即在外部阶跃输入信号的作用下，过程本来的平衡状态被破坏，在外部信号的作用下自动地非振动地稳定在新的稳定状态，这是工业生产过程中最常见的过程。(1)决定进程的输入变量和输出变量如下图所示，流入罐的流量由供给阀1控制。流出罐的流量依赖于罐液位l和排出阀2的开度，排出阀的开库根据用户的需要而变化。 在这里，液位l是被控制变量(即输出变量)，供给阀1是控制系统的控制阀，它控制的供给流量是过程的控制输入(即操作量)，供给流量是外部干扰。 本设计以进料流量为输入变量。2l1叔叔l ()L(t )型L(0)油罐液位过程及其阶跃响应曲线(2)根据过程内的机制，描述原始方程根据材料平衡关系，工艺处于原来的稳定状态的是水箱的液位不变化，其静态方程式是：-=0(16)、分别是原来的稳定状态下的水箱的供给流量和排出流量，供给流量急剧增大的是水箱的原来的平衡状态被破坏的情况下，供给量比排出量设罐液体的储存量为v，单位时间内的排出流量和供给流量的差等于罐液体的储存量的净增量。 其动态方程式为-=(17)=、分别是和的增量。 如果罐截面积为a，则V=AL，其增量形式为dV=AdL，即，(1-8)。 如果将=、和式(1-8)代入式(1-7)，则得到(1-9)。 从公式(1-9)中减去公式(1-6)，得到以下新的量表示的动态方程式(110 )(3)消去中间变量，简化，求出的微分方程式出现在中间变量公式的原始方程式中的一些过程变量既不是输入变量也不是输出变量。 在式(110 )中，是中间变量。 与输出变量l的关系是您可以看到以下内容：=:比例系数(111 )如果只考虑液位和流量在有限范围内变化的公式，可以认为排出流量和液位的变化是线性关系。 把式(111 )改写为增量形式：命令，如下(112 )如果将式(112 )代入式(110 )中(113 )公式(113 )是油箱液位过程的数学模型。 由此可见，这是一次微风方程式，液位过程是一次过程。 写了这个式的一次过程的微风方程式的标准形式(114 )或(115 )一次过程的时间常数，有时间测量纲的一次过程的放大系数，具有放大倍率维度的一次过程的输出变量一次过程的输入变量因为阻力系数，=液位的变化量/喷出流量的变化量容量系数的情况下，=保存的品种的变化量/液面水平的变化量。如果一定的材料在控制变量的检测位置和发生干扰的位置之间移动距离，就会发生延迟。 在控制过程中，如果进料阀与罐的进料口有距离，则在进料阀的开度变化、进料流量变化后，液体流入罐中需要花费时间，液位变化而被检测出来。 显然液体在这个距离中流动是必要的时间完全是传输延迟造成的。 单纯延迟一次过程的微风方程式如下具有纯滞后的一次过程的特性与放大系数、时间常数、纯滞后时间有关如上所述，水箱液位控制系统是一次自平衡过程，其特性可以用放大系数、时间常数和纯延迟时间三个特性参数全面表现。第三章水箱液位控制系统的构成本设计研究的水箱液位控制系统是一种简单的控制系统，是所用族普遍、结构最简单的过程控制系统。 单纯的控制系统通常是指由被控制对象、检测变压器单元(检测元件和变送器)、控制器和致动器(控制阀)构成的单环路负反馈控制系统。3.1被控制的变量的选择被控制变量的选择是控制系统的核心问题，被控制变量的选择是否正确是决定控制系统有无价值的关键。 任何控制系统都希望在生产操作的稳定、产品产量的增加、生产安全的保证、劳动条件的改善等方面发挥作用，如果控制变量数学不合适，就具备更好的自动仪表，复杂先进的控制规则也不起作用，无法达到预期的控制效果。在罐液位控制系统中，其被控制变量明显，液