单容水箱系统建模及PID控制仿真

1、编辑ppt单容水箱系统建模及PID控制仿真1 、模型建立 在化工及工业锅炉自动控制系统中, 有许多问题最终都可归结为“水箱系统”的液位控制问题。对“水箱系统”的液位控制问题进行认真和透彻的研究，对从事自动控制系统的工程技术人员来说,，具有很重要的意义， “水箱系统”液位控制系统的工艺过程原理如图1 所示。编辑ppt图1 “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图 图1 中, 入口处的阀门由一个调节器控制, 以保持水位不变, 出口处的阀门由外部操纵, 可将其看成一个扰动量。编辑ppt符号说明:Q1 水箱流入量;Q2 水箱流出量;A 水箱截面积;u 进水阀开度;f 出水阀开度;h 水箱液位高度;h0 水

2、箱初始液位高度;K1 阀体流量比例系数。假设f 不变, 系统初始态为稳态, h0 = 2m , K1 =10 , A =10m 。编辑ppt由物料平衡得： Q1- Q2=A dh/dtQ1=K1 uQ2=K1 h代入方程得平衡方程：dh/dt=1/A (K1 u- K1 h) 上式是一个非线性方程，如果水位保持在小范围内变化，我们可将上式线性化，首先把平衡方程改为增量形式。在稳定平衡状况下：0=1/A(Q10-Q20) 将 两式相减得方程增量形式： Q1 - Q2 = A d h/dt Q2=K1/(2 h0 ) h Q1=K1 u 对式进行拉普拉斯变化得:Q1 ( s) - Q2 ( s)

3、= s A H( s) = 10s H( s)Q1 ( s) = K1 U ( s) = 10 U ( s)Q2 ( s) =K1/(2 h0)H( s) = 3.1536 H( s)编辑ppt所以“水箱系统”液位控制系统图, 可以用图2表示。图2 “水箱系统”液位控制系统图编辑ppt2 、Simulink模型介绍该模型的simulink仿真图编辑ppt该模型各部分原件介绍：阶跃信号发生器：用于产生阶跃信号求和模块(Sum) :用于对多路输入信号进行求和运算,并输出结果。PID控制器：设置 PID 实现控制器与比例,积分和微分作用Saturation饱和器：限制信号的范围，施加输入信号的上限和

4、下限编辑ppt增益器：对输入信号乘上一个常数增益均匀分布随机信号器：Step 生成一阶跃函数 Uniform Random Number 生成均匀分布的随机数 积分器：对输入变量进行积分示波器：显示波形编辑ppt参数设置：将Gain,Gain1,Gain2的参数gain分别设置为3.536，10，0.1.改变PID控制器中的参数即可得到波形。编辑ppt02468101214161820-0.200.20.40.60.811.2typ=1p=10p=100“水箱系统”液位控制系统在无调节器的情况下 , 过渡过程是一个非周期过程 , 是稳定的系统; 调节时间较短 , 响应比较迅速 , 但是 , 该

5、系统为一个有静差的系统。由图上可知，增大P调节可以相应的减小残差比例作用比例作用编辑ppt00.511.522.533.544.5500.20.40.60.811.21.4typ=10,i=0p=10,i=1p=10,i=10p=10,i=100 1. “水箱系统”的液位控制可以实现无静差 ,并且具有较好的动态过程控制; 2. 当 I参数设置较大 , 即积分作用较强时 , 可以出现衰减振荡过程。通常对 大多数的自动控制系统的动态过程 , 出现衰减振荡过程是人们所期望的 , 但如果仅对我们 这次所探讨的系统而言 , 应该是衰减振荡过程动态性能不如非周期过程理想; 3. 本系统采用 PI调节作用 , 对抗干扰性能的要求也能很好地满足 比例积分作用比例积分作用编辑ppt 比例比例P P调节调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。比例调节的残差随比例带的加大而加大。积分积分I I调节调节该调节的主要特点是无差调节。只要被调量偏差e为零时，I