單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、1,iiy x GxE D1|,iiy x GxE D控制優(yōu)化q 了解實際系統(tǒng)了解實際系統(tǒng)q 保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定q 抗干擾抗干擾q 保證跟蹤性能保證跟蹤性能q 液位達(dá)到設(shè)定值液位達(dá)到設(shè)定值q 運行過程系統(tǒng)安全運行過程系統(tǒng)安全q 控制軟件平臺具有易用性控制軟件平臺具有易用性流量傳感器流量傳感器液位傳感器液位傳感器2號水泵號水泵網(wǎng)絡(luò)化嵌入式控制器：已嵌入水箱內(nèi)部q 執(zhí)行機構(gòu)和檢測裝置執(zhí)行機構(gòu)和檢測裝置流量傳感器 采用TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合離心泵，工作前，水泵和進(jìn)水管必須灌滿水形成真空狀態(tài)，當(dāng)葉輪快速轉(zhuǎn)動時，葉片促使水快速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)著的水在離心力的作用下從葉輪中

2、飛出，泵內(nèi)的水被拋出后，葉輪的中心部分形成真空區(qū)域。水在大氣壓力或水壓的作用下，通過水管壓到了進(jìn)水管內(nèi)，這樣循環(huán)就可以實現(xiàn)連續(xù)抽水。 使用GEMS流量傳感器，通過累計流過液體體積的脈沖信號，計算得到液體流量單容水箱液位傳感器 含有一個入水閥，一個泄水閥，單入單出的被控對象，平衡點處可近似一階慣性環(huán)節(jié)尺寸：高度25cm，內(nèi)徑，外徑 使用Honeywell的26PC型差壓傳感器作為液位傳感器，根據(jù)水箱內(nèi)水的上下表面壓力差進(jìn)行折算得到相應(yīng)的液位從而進(jìn)行反饋。q 軟件平臺軟件平臺特點： 1. 用于開放式結(jié)構(gòu)的快速控制原型開發(fā)、硬件樣機在線測試，有效地縮短開發(fā)周期，保證系統(tǒng)柔性； 2. 由于可以采用實時

3、在線測試，應(yīng)用于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，可以降低建模和控制器設(shè)計的難度； 3. 與MATLAB系統(tǒng)的無縫集成，便于開發(fā)者使用MATLAB中的各種先進(jìn)算法； 4. 該軟件通過與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的集成性，可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制，遠(yuǎn)程設(shè)置控制方案，便于調(diào)試和升級。q 被控對象組成被控對象組成q PWMPWM占空比占空比P P到水泵電壓到水泵電壓U U的過程的過程q 水泵電壓水泵電壓U U到入水流量到入水流量q q1 1的過程的過程1q1q1q1q1q0Uk P11( )( )1ksU sTs12qk1121( )( )1q sk kU sTsq 入水流量入水流量q q1 1到液位到液位y y的過程的過

4、程12dyqqAdt(1)23qky(2)1q2qAy3k 某一時刻，單容水箱的入水量與出水量的差值即為水箱內(nèi)儲水量的變化 假設(shè) 為入水流量， 為出水流量， 為水箱橫截面積， 為液位，根據(jù)物料平衡原理， 由流體力學(xué)可知，流體在紊亂情況下，液位與流量之間的非線性關(guān)系如下，泄水閥流量系數(shù)： 將式（2）帶入（1）得到被控對象模型：3111(3)dykyqdtAA 由13111( ,)f y qkhqAA 1( ,)dyf y qdt01(,)y q0110111010111,( ,)(,)()()y yqqy yqqdyf y qdtfff y qyyqqyq 其中0113011(,)0f y qq

5、kyAA0111,1y yqqfqA01131000,101222yyqqkqfyA yyA yqAy 由此，111001101()()212qdyqqyydtAAyqdqdyAAy 兩邊分別除以 ，有：dt010112( )2( )1yqy sAyq ssq 進(jìn)行拉普拉斯變換，整理得到：112012dqqdydydtA dtAy dt 由于在平衡點 處，入水流量等于出水流量，因此：10(,)q y1230=qqkyq 被控對象模型被控對象模型將上述三個環(huán)節(jié)串聯(lián)，得到被控對象模型為：0 121( )( )( )(1)(1)k k k Ky sW sP sTsTs 故本環(huán)節(jié)模型為： 其中：01(

6、 )( )( )1y sKW sq sTs032 yKk032A yTkq 階躍響應(yīng)法辨識模型參數(shù)階躍響應(yīng)法辨識模型參數(shù)( )1KW sTs經(jīng)典的參數(shù)辨識的方法包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng)法等。KT階躍響應(yīng)辨識方法根據(jù)觀察階躍響應(yīng)曲線得到系統(tǒng)參數(shù) 與 。在單位階躍給定下，一階慣性環(huán)節(jié)輸出111( )()11Ky sKTssssT進(jìn)行拉式反變換，得到：1( )(1)(0)tTy tKet因此，在時間 t=T處，系統(tǒng)輸出為穩(wěn)態(tài)值的倍，由此估計系統(tǒng)時間常數(shù)系統(tǒng)的靜態(tài)放大系數(shù)K為穩(wěn)態(tài)值與給定值的比值101( )1kW sTsq 水泵水泵PWMPWM占空比到流量占空比到流量q q1 1的模型的模

7、型 過程的靜態(tài)放大系數(shù)為： 10( )(0)1.6 1.50.0674341.5yykx 00.067( )0.61W ss 當(dāng)流量達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的倍時，所需時間即為過程的時間常數(shù)。故當(dāng)流量達(dá)到 （）時，所需時間約為秒，從而過程的時間常數(shù)由此，控制器設(shè)計模型為 入水流量到液位的過程在平衡點處近似為一階慣性環(huán)節(jié)：( )1KW sTsTKq 入水流量入水流量q q1 1到液位到液位y y的模型的模型 過程的靜態(tài)放大系數(shù)為： 0( )(0)10.457.52529.251.6 1.5yyKx 283Ts29.25( )2831W ss(10.457.525) 0.6327.5259.37cm 當(dāng)液位達(dá)到

8、穩(wěn)態(tài)值的倍時，所需時間即為過程的時間常數(shù)。故當(dāng)液位達(dá)到 時，所需時間約為283秒，從而過程的時間常數(shù)因此，該環(huán)節(jié)模型為 由于水泵PWM占空比到流量q1的模型傳遞函數(shù)為 其時間常數(shù)遠(yuǎn)小于T=283s，故此一階慣性環(huán)節(jié)可近似為比例環(huán)節(jié) 因此，被控對象的控制器設(shè)計模型為 00.067( )0.61W ss29.251.95( )0.06728312831W sss4.1 4.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4.2 PID 4.2 PID控制控制 PID控制器是利用系統(tǒng)誤差信號的比例、積分和微分信號作為系統(tǒng)的控制信號q PIDPID控制器原理控制器原理 直接綜合法：利用期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)來設(shè)計P

9、ID控制器 單容水箱液位控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 整理得到 選取期望的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) ，并令 從而有( )( )( )( )( )1( )( )ccG s W sy sG sr sG s W s( )( )( )(1( )cG sG sW sG s( )( )dGsG s( )dGs( )( )( )(1( )dcdGsG sW sGs q PIDPID控制器參數(shù)整定控制器參數(shù)整定 選定期望閉環(huán)極點 ，期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為 。對于一階慣性環(huán)節(jié) ，帶入 得到：sa ( )daGssapaTkK即PI控制器參數(shù)： ( )(0)daGsasasa iakK(1)1caaTasaGKaKKsTssaq 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析( )cG s( )1KW sTs5.1 5.1 控制器設(shè)計控制器設(shè)計 為了得到較快且穩(wěn)定的液位動態(tài)響應(yīng)，選定期望閉環(huán)極點期望閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ，則：1( )51dGss0.2 28329.021.95pk0.20.102561.95ik 15s 5.2 5.2 系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真q 仿真程序仿真程序q 仿真結(jié)果仿真結(jié)果6.1 6.1 控制算法實現(xiàn)控制算法實現(xiàn) 利用EasyControl控制軟件平臺編寫Simulink控制程序 6.2 EasyControl 6.2 EasyControl軟件平臺監(jiān)控功能軟件平臺監(jiān)控功能 EasyControl