单容水箱液位控制系统设计与实现

1、1,iiy x GxE D1|,iiy x GxE D控制优化q 了解实际系统了解实际系统q 保证闭环系统稳定保证闭环系统稳定q 抗干扰抗干扰q 保证跟踪性能保证跟踪性能q 液位达到设定值液位达到设定值q 运行过程系统安全运行过程系统安全q 控制软件平台具有易用性控制软件平台具有易用性流量传感器流量传感器液位传感器液位传感器2号水泵号水泵网络化嵌入式控制器：已嵌入水箱内部q 执行机构和检测装置执行机构和检测装置流量传感器 采用TOTTON PUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵，工作前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中

2、飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。水在大气压力或水压的作用下，通过水管压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。 使用GEMS流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲信号，计算得到液体流量单容水箱液位传感器 含有一个入水阀，一个泄水阀，单入单出的被控对象，平衡点处可近似一阶惯性环节尺寸：高度25cm，内径，外径 使用Honeywell的26PC型差压传感器作为液位传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行折算得到相应的液位从而进行反馈。q 软件平台软件平台特点： 1. 用于开放式结构的快速控制原型开发、硬件样机在线测试，有效地缩短开发周期，保证系统柔性； 2. 由于可以采用实时

3、在线测试，应用于难以建立精确数学模型的系统，可以降低建模和控制器设计的难度； 3. 与MATLAB系统的无缝集成，便于开发者使用MATLAB中的各种先进算法； 4. 该软件通过与TCP/IP网络的集成性，可应用于网络控制，远程设置控制方案，便于调试和升级。q 被控对象组成被控对象组成q PWMPWM占空比占空比P P到水泵电压到水泵电压U U的过程的过程q 水泵电压水泵电压U U到入水流量到入水流量q q1 1的过程的过程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的过程的过

4、程12dyqqAdt(1)23qky(2)1q2qAy3k 某一时刻，单容水箱的入水量与出水量的差值即为水箱内储水量的变化 假设 为入水流量， 为出水流量， 为水箱横截面积， 为液位，根据物料平衡原理， 由流体力学可知，流体在紊乱情况下，液位与流量之间的非线性关系如下，泄水阀流量系数： 将式（2）带入（1）得到被控对象模型：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 两边分别除以 ，有：dt010112( )2( )1yqy sAyq ssq 进行拉普拉斯变换，整理得到：112012dqqdydydtA dtAy dt 由于在平衡点 处，入水流量等于出水流量，因此：10(,)q y1230=qqkyq 被控对象模型被控对象模型将上述三个环节串联，得到被控对象模型为：0 121( )( )( )(1)(1)k k k Ky sW sP sTsTs 故本环节模型为： 其中：01(

6、 )( )( )1y sKW sq sTs032 yKk032A yTkq 阶跃响应法辨识模型参数阶跃响应法辨识模型参数( )1KW sTs经典的参数辨识的方法包括阶跃响应法、脉冲响应法、频率响应法等。KT阶跃响应辨识方法根据观察阶跃响应曲线得到系统参数 与 。在单位阶跃给定下，一阶惯性环节输出111( )()11Ky sKTssssT进行拉式反变换，得到：1( )(1)(0)tTy tKet因此，在时间 t=T处，系统输出为稳态值的倍，由此估计系统时间常数系统的静态放大系数K为稳态值与给定值的比值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 过程的静态放大系数为： 10( )(0)1.6 1.50.0674341.5yykx 00.067( )0.61W ss 当流量达到稳态值的倍时，所需时间即为过程的时间常数。故当流量达到 （）时，所需时间约为秒，从而过程的时间常数由此，控制器设计模型为 入水流量到液位的过程在平衡点处近似为一阶惯性环节：( )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 过程的静态放大系数为： 0( )(0)10.457.52529.251.6 1.5yyKx 283Ts29.25( )2831W ss(10.457.525) 0.6327.5259.37cm 当液位达到

8、稳态值的倍时，所需时间即为过程的时间常数。故当液位达到 时，所需时间约为283秒，从而过程的时间常数因此，该环节模型为 由于水泵PWM占空比到流量q1的模型传递函数为 其时间常数远小于T=283s，故此一阶惯性环节可近似为比例环节 因此，被控对象的控制器设计模型为 00.067( )0.61W ss29.251.95( )0.06728312831W sss4.1 4.1 闭环控制系统结构闭环控制系统结构 4.2 PID 4.2 PID控制控制 PID控制器是利用系统误差信号的比例、积分和微分信号作为系统的控制信号q PIDPID控制器原理控制器原理 直接综合法：利用期望的闭环传递函数来设计P

9、ID控制器 单容水箱液位控制系统闭环传递函数为 整理得到 选取期望的系统闭环传递函数 ，并令 从而有( )( )( )( )( )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控制器参数整定控制器参数整定 选定期望闭环极点 ，期望闭环传递函数为 。对于一阶惯性环节 ，带入 得到：sa ( )daGssapaTkK即PI控制器参数： ( )(0)daGsasasa iakK(1)1caaTasaGKaKKsTssaq 闭环系统稳定性分析闭环系统稳定性分析( )cG s( )1KW sTs5.1 5.1 控制器设计控制器设计 为了得到较快且稳定的液位动态响应，选定期望闭环极点期望闭环传递函数为 ，则：1( )51dGss0.2 28329.021.95pk0.20.102561.95ik 15s 5.2 5.2 系统仿真系统仿真q 仿真程序仿真程序q 仿真结果仿真结果6.1 6.1 控制算法实现控制算法实现 利用EasyControl控制软件平台编写Simulink控制程序 6.2 EasyControl 6.2 EasyControl软件平台监控功能软件平台监控功能 EasyControl