单容水箱液位控制系统的设计

1、单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使 水箱液位等于给定值所要求的高度；并减小或消除来自系统内部或外部扰动 的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般 生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。图1-1为单容水箱液 位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数的 选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之， 控制器参数选择得不合适，则会导致控制质量变坏，甚至会使系统不能正常 工作。因此，当一个单回路系统组成以后，如何整定好控制器

2、的参数是一个 很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十 分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图。 电机与泵2 GK-07 调节器 上水箱 mo 4 cp GK GK-O7 反馈值 11: 检測变送1 图1-1单容水箱液位控制系统的方块图 系统由原来的手动操作切换到自动操作时，必须为无扰动，这就要求调 节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值，并且在切换时应使测量值与给定 值无偏差存在。图1-2是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之，具有比例(P)调节器的系统是一个有差系统，比例度5的大 小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分 (PI)

3、调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数 Ti选择合理，也能使系统具有良好的动态性能。 iit水扰劲 fi者水箱 图1-2单容液位控制系统结构图 比例积分微分(PID)调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作 用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能(快速性、稳定性 等)。在单位阶跃作用下，P、PI. PID调节系统的阶跃响应分别如图1-3中 的曲线、所示。 二、单容水箱液位控制系统建模 液位控制的实现 液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以釆用计算机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

4、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。 被控对象 本文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，需要知道被控对象一上水箱的结构和特性。 由图2-1所示可以表示出单容水箱的流量特性： 图2-1单容水箱结图 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，若阀岭开度适当，在不溢 出的情况下

5、，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。 水箱建模 这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱(图2-1 )o要对该对象 进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Q2,水箱的液面高度为h,出 水阀V2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, 则该被控对象的数学模型就是h与Q之间的数学表达式。 (2-1) (2-2) 根据动态物料平衡关系有 at 将式(2-1

6、)表示为增量形式 Q-曲虫孕 式中，、AQ、山 分别为偏离某一平衡状态G)、 C水箱底面积。 在静态时，0=2； dh/dt=O；当0发生变化时，液位h随之变化，阀 匕处的静压也随之变化，也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流 情况下，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， 则可近似认为与从成正比，而与阀匕的阻力凡成反比，即 临唱或R咼(2尬 式中，心为阀匕的阻力，称为液阻。 将式(2-3)代入式(2-2)可得 R,C + h = RQQ( 2-4) -ch 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得: (2-5) H (s ) _ K Qi(s) R2Cs +1 Ts + 式中，T二 T,积分时间常数； td微分时间常数； 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 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。岛越大，系统的响应 速度越快，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。昭 取值过小，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 主要用来消除系统的稳态误差。刀越小，系统的静态误差消除越快，但耳 过小，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7；过大，将使系统静态误差难以