水箱液位PID調節(jié)控制系統(tǒng)及實物仿真調試

1、水箱液位PID調節(jié)控制系統(tǒng)及實物仿真調試【摘要】在人們生活以及工業(yè)生產等諸多領域經常涉及到液位和流量的控制問 題，例如居民生活用水的供應，飲料、食品加工，溶液過濾，化工生產等多種行 業(yè)的生產加工過程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要維持合適的高度， 既不能太滿溢出造成浪費，也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控 制過程中一個重要的參數，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行 檢測、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、積分和微分控制）是目前采 用最多的控制方法。【關鍵詞】水箱液位；PID控制；液位控制；Matlab仿真一引言在人們生活以及工業(yè)生產等諸多領域經常涉及到液

2、位和流量的控制問題，例 如居民生活用水的供應，飲料、食品加工，溶液過濾，化工生產等多種行業(yè)的生 產加工過程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要維持合適的高度，既不 能太滿溢出造成浪費，也不能過少而無法滿足需求。因此液面高度是工業(yè)控制過 程中一個重要的參數，特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、 控制，能收到很好的效果。本論文利用PID算法在matlab中進行仿真并講解實物搭接效果，具體如下：1、利用指導書中推導的模型和實際的參數，建立水箱液位控制系統(tǒng)的數學 模型，并進行線性化；2、構成水箱液位閉環(huán)無靜差系統(tǒng)，并測其動態(tài)性能指標和提出改善系統(tǒng)動 態(tài)性能的方法，使得系統(tǒng)動態(tài)性能指

3、標滿足。10%，Wv秒，靜態(tài)誤差小于2%；3、通過在matlab編程中求取合適的反饋變量K,然后與仿真模型結合構成最 優(yōu)控制的水箱液位系統(tǒng)，通過圖形分析是否滿足系統(tǒng)的性能參數；4、加入P、PI、PD、PID環(huán)節(jié)分別進行調試；5、選取合適的極點并通過圖形分析是否滿足系統(tǒng)的性能參數；6、比較加入各種不同PID環(huán)節(jié)下的優(yōu)缺點；7、實物搭接；8、比較在不加擾動和加擾動情況下以及在各種不同環(huán)節(jié)作用下系統(tǒng)性能。水箱液位控制系統(tǒng)的設計及實物調試該題目包括MATLAB軟件仿真和硬件實物調試部分，軟件仿真的目的是對系統(tǒng)先進行建模，然后設計控制器使其滿足任務書上的性能指標要求，并調 整控制器參數，分析控制器各參數

4、對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。硬件調試的目的是為了實現(xiàn)理論和實踐的結合，將仿真得到的心得體會 在硬件平臺上加以驗證，以便得到更加形象具體的認識。在化工及工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)中，有許多問題最終都歸結為“水箱系統(tǒng) 的液位控制問題。對水箱系統(tǒng)的液位控制問題進行認真和透徹的研究，對從事 自動控制系統(tǒng)的工程技術人員來說，具有很要的意義，圖1是水箱液位控制的原 理圖。圖1水箱系統(tǒng)的工藝過程原理圖軟件仿真單元根據圖1的原理圖和圖2系統(tǒng)的結構圖，對單容水箱系統(tǒng)建模參數意義參數K水箱初始液位高度（m）A可借助Simulink搭建系統(tǒng)的仿真模型，先對系統(tǒng)進行開環(huán)分析，得出相關結論，然0圖2水箱液位控制結構圖表1水箱液位系統(tǒng)

5、相關參數閥體流量比例水箱截面積后引出閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據系統(tǒng)的特點，決定采用何種控制器。2水箱液位控制系統(tǒng)圖圖1中，進水口的閥門由一個調節(jié)器控制，以保持水位不變，出口處的閥門 由外部操縱，可將其看成一個擾動量。符號說明:Q1水箱流入量Q2一水箱流出量A一水箱截面積U一進水閥開度H一水箱液位高度ho 一水箱初始液位高度Ki 一閥體流量比例系數假設f不變，系統(tǒng)初始狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)：h0=1.5m, % = 8.5, A = 7.2 m 2則: Q =Adh TOC o 1-5 h z 2 dtQ = % x uQ = K x(h在七處進行線性化得到c_ K八Q 1xa h2 xh將前三式進行l(wèi) aplac

6、e變換得Q. (s) - Q (s) = s x A x H(s) = 7.2sH(s)Q1( s) = % x U (s)1.1815Q2( s) = 2 %h X H (s) = 3.47 H (s)U(s) - s + 0.48233G (s) = H (S) 所以，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 系統(tǒng)的開環(huán)結構圖如圖3所示，閉環(huán)結構圖如圖4所示SteoL：-圖3水箱液位系統(tǒng)的開環(huán)結構圖回 S2r5o0246810-5Time offset: 圖4水箱液位系統(tǒng)的閉環(huán)結構圖辱苜Q侵貝A H 03.軟件仿真過程、圖形分析及結論4.未校正前系統(tǒng)的仿真過程、圖形分析及結論輸入程序：H=A=K=num=de

7、n=1,t=0:1:15step(num,den,t)得到開環(huán)傳遞函數的階躍響應圖如下：File Edit View Insert Tools Desktop Window Help口曲n昌k吸&節(jié)勺甸星口匪I b n圖5達穩(wěn)態(tài)值10%的時間顯示Time (sec): 5.19. Amplitude: 2.25System: sys Rise Time (sec): 4.55System sysStep ResponseSystem: sysSettling Time (sec): 8.14System: sysPeak amplitude: 2.4 5Overshoot (%): 0At t

8、ime (sec): 15 -1015Time (sec)由圖可知:t = 5.19 - 0.267 = 4.923s 0.2se = 0。=0該開環(huán)傳遞函數的單位階躍響應上升時間大大超過所要求的時間，該系統(tǒng)沒 有達到預期的要求。加PID校正環(huán)節(jié)后系統(tǒng)的仿真過程、圖形分析及結論（1）加比例控制環(huán)節(jié)（P）校正后系統(tǒng)的階躍響應Time fwc|圖7比例控制校正后的階躍響應曲線Arch itecture Co rriuensator Ed 旺Graphical TuningAnalyi Plots ： Automated TuningDesign method: PD TuningCompensat

9、orC/ = 22.875SpecificationsController type:, P 0 P 。P】DP1D with derivative filter 1/(1-s/NJ. N frequency: 1Tuning algorithin;Robust respons已 timehF： 24.4頃 dm# Ump rta /I而 rlcjrFh機眠:“3.革同16limp (pm|圖20 PD校正下的階躍響應Show Architecture Store DesignHelp圖21 PD校正環(huán)節(jié)的各項參數由上圖可知，當PD環(huán)節(jié)加入極點后，圖形瞬間上升又迅速下降為0,也與 要求的輸出曲

10、線完全不同，所以，該系統(tǒng)不采用PD環(huán)節(jié)進行校正。加比例積分微分控制環(huán)節(jié)（PID）校正后系統(tǒng)的階躍響應圖22 PID下的最優(yōu)階躍響應曲線圖23 PID環(huán)節(jié)下最優(yōu)階躍響應曲線時的校正環(huán)節(jié)參數圖24 PID校正環(huán)節(jié)的伯德圖和根軌跡圖(1 + 0.77 s)(1 + 6.4 x 10 -5 s)33.243G (s) = 33.243 x = 25.60 + 0.00164s所以，Kp = 25.60, K = 36.243, K = 0.00164將以上參數帶入結構圖中驗證，如下圖所示:圖25 PID參數圖26 PID校正后的階躍輸出響應曲線可以看到，與只有PI校正時的KpK Kd總體相近?？梢?，用

11、PID調節(jié)也可達到設計要求，但從PID參數可知，與七Ki相比，Kd很小，微分作用十分微弱，基本可以忽略，相當于PI校正。最終可以得出結 論：選用PI校正裝置是最簡單同時又能很好的滿足設計要求的最佳選擇。PI校30.746正環(huán)節(jié)的傳遞函數為：cS = .+ Spi 參數為.K = 23.98188, K = 30.746硬件調試單元1.設計原理UgA PID 功率放大 一 水泵 一 液位測量 廠Uo Uf1|2 p圖27水箱液位控制系統(tǒng)框水箱液位控制系統(tǒng)框圖如圖27所示，由給定、PID調節(jié)器、功率放大、水 泵、液位測量和輸出電壓反饋電路組成。在參數給定的情況下，經過PID運算產 生相應的控制量，

12、使水箱里的水位穩(wěn)定在給定值。給定Ug由ACCT-II自動控制理論及計算機控制技術的實驗面板上的電源單元 U1提供，電壓變化范圍為15V。PID調節(jié)器的輸出作為水泵的輸入信號，經過功率放大后作為水泵的工 作電源，從而控制水的流量。液位測量通過檢測有機玻璃水箱的水壓，轉換成電壓信號作為電壓反饋 信號，水泵的水壓為06Kpa，輸出電壓為010V，這里由于水箱的高度受實驗 臺的限制，所以調節(jié)壓力變送器的量程使得水位達到250mm時壓力變送器的輸 出電壓為5V。根據實際的設計要求，調節(jié)反饋系數，從而調節(jié)輸出電壓。四、具體水箱PID控制設計內容及步驟設計的接線圖如圖28所示，除了實際的模擬對象、電壓表和轉

13、速計表外， 其中的模擬電路由ACCT-II自動控制理論及計算機控制技術實驗板上的運放單元 和備用元器件搭建而成。這里給出一組參考的設計參數，僅供參考，在實際的實 驗中需聯(lián)系實際的控制對象進行參數的試湊，以達到預定的效果。參考的試驗參 數為：圖28硬件設計接線圖具體的設計步驟如下：1.先將ACCT-III自動控制理論及計算機控制技術（二）和ACCT-II自動控制 理論及計算機控制技術面板上的電源船形開關均放在“OFF狀態(tài)。利用ACCT-II實驗板上的單元電路設計并連接如圖28所示的閉環(huán)系統(tǒng)。需要注意的是，運放的鎖零信號G接到一15V。（1）將ACCT-II面板上U1單元的可調電壓接到Ug；（2）

14、給定輸出接PI調節(jié)器的輸入，這里參考電路中Kd=0, R4的作用是提 高PI調節(jié)器的動態(tài)特性。（3）經PI運算后給電機驅動電路提供輸入信號，即將調節(jié)器電路單元的輸 出接到水泵輸入（010V ）的正極，負極接地。（4）液位測量的輸出的正極接到ACCT-II面板上的反饋回路，由于液位輸出 的電壓為正值，所以反饋回路中接一個反饋系數可調節(jié)的反相器。調節(jié)反饋系數=Rf/Ri，從而調節(jié)輸出的液位高度H。連接好上述線路，全面檢查線路后，先合上ACCT-III實驗面板上的電源船 形開關，再合上ACCT-II面板上的船形開關，調整PI參數，使系統(tǒng)穩(wěn)定，同時觀 測輸出電壓變化情況。在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干

15、擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。如達不到， 則根據PI參數對系統(tǒng)性能的影響重新調節(jié)PI參數。改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性。五、測量結果未加擾動時水箱液位系統(tǒng)的自動控制試驗條件：輸入信號為+5V穩(wěn)定電壓；R = 102KQ , R = 102KQ , R = 102KQ , R = 100KQ , R = 0.98MQ , R = 101KQ , 01234iR = 102KQ, R q 1 ； fRi水箱出水閥門緊閉。I .純比例環(huán)節(jié)C=0, R = 330KQ, K = R =迎=3.35PR 100圖29階躍響應曲線C=0, R = 510KQ , K = R =迎=5.15p R 1003圖3

16、0階躍響應曲線可見，水位的上升時間會因為電阻不同而變化，RJ曾大則上升時間縮短。II .純積分環(huán)節(jié)C=1 日F , R = 510KQT = RC = 0.51s513 11:27SCHNL：H1平均值 1:3.86U SiGhari off頻率1: ?2： chan oFf占空率 1: ? 2： chan oFfMEASUREFKR 延235. Ss上升時間1： 38.36s2逑mn 口殲蕓i .哭u MH 10s CHI EDGECH 2 500mUstop m10.000 SSCANL：H1平均值 1：4.23U 2：ch-=in offH 10- ICHl EDGEL：H2 500r.

17、iU頻率1: ?2： chan off占空率 1: ? 2： chan off上升時間L： 36. 16s+ +-F + + +* + + + + + + +(- + + + + + + +圖31階躍響應曲線=510 K Q , T = RC = 5.1si 5MEASURE皿延退215.5圖32階躍響應曲線可見，水位的上升時間會因為電容不同而變化電容增大則上升時間縮短III.比例積分環(huán)節(jié)C=10 P F，R = 330KQ，K = R = 330 = 3.3，5p R 1003T = RC = 3.3s i 5圖33階躍響應曲線通過上圖的上升階段比較可以明顯看出，在開始時比例環(huán)節(jié)起著較強的作

18、 用，水位上升的趨勢非常明顯，但當水位趨于給定值時，比例環(huán)節(jié)作用減弱，積 分環(huán)節(jié)作用加強，系統(tǒng)誤差受到積分環(huán)節(jié)的控制與影響。加入擾動時水箱液位系統(tǒng)的自動控制 試驗條件：輸入信號為+5V穩(wěn)定電壓;R = 102KQ , R = 102KQ , R = 102KQ , R = 100KQ , R = 0.98MQ , R = 101KQ，01234iR = 102KQ，R q 1 ； fRi水箱出水閥門一直保持一個很小的開度(從注水之初保持一個恒定擾動)I .純比例環(huán)節(jié)C=0，R = 330KQ, K = R =迎=3.35PR 1003SCANCHI 1Ua 0S 1CH1 EDGE ZCH2

19、500niUMEASUREFRR延退216.4s平均值 1：4- 10U 巳匚hmj fF 頻率l：12-E7mHz 2：匚hmj ff 占空率 1; ?2： chan off EMS 1： 35.70s 2： chan off502.526Hz圖34階躍響應曲線C=0, R5 = 510KQ , Kp圖35階躍響應曲線結論：a.水位的上升時間會因為電阻R5不同而變化，RJ曾大則上升時間縮短b.與未加擾動時相比，水箱的穩(wěn)定液位降低，上升時間也變長了II .純積分環(huán)節(jié)C=1 R F , R5 = 510KQ , T = R C = 0.51s口國口 ?13 12=05 STOP n_MEASUR

20、E1i1i1iii1T, +frrMAE224.5sa i i i + 1 1Illi+1 I I 1 1 1I 1 I 平均值 1；4.02U 3：chan nff1i:i* * i,_JL_ - r 一一一 r+ 頻率 L：33.49mHz 2：chan off111 + + + 丁111.kWMyiW十f-葉 WfJT*件】.叫 + + + +*+-* + + * + 4+ + +4+ + + * +1+ + * +-J+ 1 1Illi+ 占空率1: ?111111+ + +2：chan off上升時間 L： 10.68s 2：chdn off+ le.esSCHHH10s 1CH1

21、EDGE ZCHI =1L.I CH2 500r.iiJ圖36階躍響應曲線64-J-an313 12= 0Sstop m迥理頃手,平均值 1：.50U 2：c-h-=in offffi率 l：?4.7?nHz 2：c-h3n off占空率1：72：C-h3n off1 ：3i 2.6ns2：chan offKHHH10s 1CH1 EDGE /CHI =LU L：H2 500r.|i-J C=10 日F , R5 = 510 KQ , T = RC = 5.1sMEASUREFEE延退205.8s圖37階躍響應曲線結論：a.水位的上升時間會因為電容不同而變化，電容增大則上升時間縮短b.與未加擾動時相比，上升時間明顯變長，所以擾動將增加上升時間III.比例積分環(huán)節(jié)C=10 日F , R = 330KQ , K = R = 330 = 3.3, T = RC = 3.3s5P R 1