水箱液位PID调节控制系统及实物仿真调试

1、水箱液位PID调节控制系统及实物仿真调试【摘要】在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问 题，例如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行 业的生产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度， 既不能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控 制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行 检测、控制，能收到很好的效果。PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采 用最多的控制方法。【关键词】水箱液位；PID控制；液位控制；Matlab仿真一引言在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液

2、位和流量的控制问题，例 如居民生活用水的供应，饮料、食品加工，溶液过滤，化工生产等多种行业的生 产加工过程，通常需要使用蓄液池，蓄液池中的液位需要维持合适的高度，既不 能太满溢出造成浪费，也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过 程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、 控制，能收到很好的效果。本论文利用PID算法在matlab中进行仿真并讲解实物搭接效果，具体如下：1、利用指导书中推导的模型和实际的参数，建立水箱液位控制系统的数学 模型，并进行线性化；2、构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动 态性能的方法，使得系统动态性能指

3、标满足。10%，Wv秒，静态误差小于2%；3、通过在matlab编程中求取合适的反馈变量K,然后与仿真模型结合构成最 优控制的水箱液位系统，通过图形分析是否满足系统的性能参数；4、加入P、PI、PD、PID环节分别进行调试；5、选取合适的极点并通过图形分析是否满足系统的性能参数；6、比较加入各种不同PID环节下的优缺点；7、实物搭接；8、比较在不加扰动和加扰动情况下以及在各种不同环节作用下系统性能。水箱液位控制系统的设计及实物调试该题目包括MATLAB软件仿真和硬件实物调试部分，软件仿真的目的是对系统先进行建模，然后设计控制器使其满足任务书上的性能指标要求，并调 整控制器参数，分析控制器各参数

4、对系统稳定性的影响。硬件调试的目的是为了实现理论和实践的结合，将仿真得到的心得体会 在硬件平台上加以验证，以便得到更加形象具体的认识。在化工及工业锅炉自动控制系统中，有许多问题最终都归结为“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，具有很要的意义，图1是水箱液位控制的原 理图。图1水箱系统的工艺过程原理图软件仿真单元根据图1的原理图和图2系统的结构图，对单容水箱系统建模参数意义参数K水箱初始液位高度（m）A可借助Simulink搭建系统的仿真模型，先对系统进行开环分析，得出相关结论，然0图2水箱液位控制结构图表1水箱液位系统

5、相关参数阀体流量比例水箱截面积后引出闭环控制系统，根据系统的特点，决定采用何种控制器。2水箱液位控制系统图图1中，进水口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。符号说明:Q1水箱流入量Q2一水箱流出量A一水箱截面积U一进水阀开度H一水箱液位高度ho 一水箱初始液位高度Ki 一阀体流量比例系数假设f不变，系统初始状态为稳态：h0=1.5m, % = 8.5, A = 7.2 m 2则: Q =Adh TOC o 1-5 h z 2 dtQ = % x uQ = K x(h在七处进行线性化得到c_ K八Q 1xa h2 xh将前三式进行l aplac

6、e变换得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，系统的开环传递函数为 系统的开环结构图如图3所示，闭环结构图如图4所示SteoL：-图3水箱液位系统的开环结构图回 S2r5o0246810-5Time offset: 图4水箱液位系统的闭环结构图辱苜Q侵贝A H 03.软件仿真过程、图形分析及结论4.未校正前系统的仿真过程、图形分析及结论输入程序：H=A=K=num=de

7、n=1,t=0:1:15step(num,den,t)得到开环传递函数的阶跃响应图如下：File Edit View Insert Tools Desktop Window Help口曲n昌k吸&节勺甸星口匪I b n图5达稳态值10%的时间显示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)由图可知:t = 5.19 - 0.267 = 4.923s 0.2se = 0。=0该开环传递函数的单位阶跃响应上升时间大大超过所要求的时间，该系统没 有达到预期的要求。加PID校正环节后系统的仿真过程、图形分析及结论（1）加比例控制环节（P）校正后系统的阶跃响应Time fwc|图7比例控制校正后的阶跃响应曲线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顷 dm# Ump rta /I而 rlcjrFh机眠:“3.革同16limp (pm|图20 PD校正下的阶跃响应Show Architecture Store DesignHelp图21 PD校正环节的各项参数由上图可知，当PD环节加入极点后，图形瞬间上升又迅速下降为0,也与 要求的输出曲

10、线完全不同，所以，该系统不采用PD环节进行校正。加比例积分微分控制环节（PID）校正后系统的阶跃响应图22 PID下的最优阶跃响应曲线图23 PID环节下最优阶跃响应曲线时的校正环节参数图24 PID校正环节的伯德图和根轨迹图(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将以上参数带入结构图中验证，如下图所示:图25 PID参数图26 PID校正后的阶跃输出响应曲线可以看到，与只有PI校正时的KpK Kd总体相近。可见，用

11、PID调节也可达到设计要求，但从PID参数可知，与七Ki相比，Kd很小，微分作用十分微弱，基本可以忽略，相当于PI校正。最终可以得出结 论：选用PI校正装置是最简单同时又能很好的满足设计要求的最佳选择。PI校30.746正环节的传递函数为：cS = .+ Spi 参数为.K = 23.98188, K = 30.746硬件调试单元1.设计原理UgA PID 功率放大 一 水泵 一 液位测量 厂Uo Uf1|2 p图27水箱液位控制系统框水箱液位控制系统框图如图27所示，由给定、PID调节器、功率放大、水 泵、液位测量和输出电压反馈电路组成。在参数给定的情况下，经过PID运算产 生相应的控制量，

12、使水箱里的水位稳定在给定值。给定Ug由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元 U1提供，电压变化范围为15V。PID调节器的输出作为水泵的输入信号，经过功率放大后作为水泵的工 作电源，从而控制水的流量。液位测量通过检测有机玻璃水箱的水压，转换成电压信号作为电压反馈 信号，水泵的水压为06Kpa，输出电压为010V，这里由于水箱的高度受实验 台的限制，所以调节压力变送器的量程使得水位达到250mm时压力变送器的输 出电压为5V。根据实际的设计要求，调节反馈系数，从而调节输出电压。四、具体水箱PID控制设计内容及步骤设计的接线图如图28所示，除了实际的模拟对象、电压表和转

13、速计表外， 其中的模拟电路由ACCT-II自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元 和备用元器件搭建而成。这里给出一组参考的设计参数，仅供参考，在实际的实 验中需联系实际的控制对象进行参数的试凑，以达到预定的效果。参考的试验参 数为：图28硬件设计接线图具体的设计步骤如下：1.先将ACCT-III自动控制理论及计算机控制技术（二）和ACCT-II自动控制 理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF状态。利用ACCT-II实验板上的单元电路设计并连接如图28所示的闭环系统。需要注意的是，运放的锁零信号G接到一15V。（1）将ACCT-II面板上U1单元的可调电压接到Ug；（2）

14、给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd=0, R4的作用是提 高PI调节器的动态特性。（3）经PI运算后给电机驱动电路提供输入信号，即将调节器电路单元的输 出接到水泵输入（010V ）的正极，负极接地。（4）液位测量的输出的正极接到ACCT-II面板上的反馈回路，由于液位输出 的电压为正值，所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数=Rf/Ri，从而调节输出的液位高度H。连接好上述线路，全面检查线路后，先合上ACCT-III实验面板上的电源船 形开关，再合上ACCT-II面板上的船形开关，调整PI参数，使系统稳定，同时观 测输出电压变化情况。在闭环系统稳定的情况下，外加干

15、扰信号，系统达到无静差。如达不到， 则根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。改变给定信号，观察系统动态特性。五、测量结果未加扰动时水箱液位系统的自动控制试验条件：输入信号为+5V稳定电压；R = 102KQ , R = 102KQ , R = 102KQ , R = 100KQ , R = 0.98MQ , R = 101KQ , 01234iR = 102KQ, R q 1 ； fRi水箱出水阀门紧闭。I .纯比例环节C=0, R = 330KQ, K = R =迎=3.35PR 100图29阶跃响应曲线C=0, R = 510KQ , K = R =迎=5.15p R 1003图3

16、0阶跃响应曲线可见，水位的上升时间会因为电阻不同而变化，RJ曾大则上升时间缩短。II .纯积分环节C=1 日F , R = 510KQT = RC = 0.51s513 11:27SCHNL：H1平均值 1:3.86U SiGhari off频率1: ?2： chan oFf占空率 1: ? 2： chan oFfMEASUREFKR 延235. Ss上升时间1： 38.36s2逑mn 口歼芸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频率1: ?2： chan off占空率 1: ? 2： chan off上升时间L： 36. 16s+ +-F + + +* + + + + + + +(- + + + + + + +图31阶跃响应曲线=510 K Q , T = RC = 5.1si 5MEASURE皿延退215.5图32阶跃响应曲线可见，水位的上升时间会因为电容不同而变化电容增大则上升时间缩短III.比例积分环节C=10 P F，R = 330KQ，K = R = 330 = 3.3，5p R 1003T = RC = 3.3s i 5图33阶跃响应曲线通过上图的上升阶段比较可以明显看出，在开始时比例环节起着较强的作

18、 用，水位上升的趋势非常明显，但当水位趋于给定值时，比例环节作用减弱，积 分环节作用加强，系统误差受到积分环节的控制与影响。加入扰动时水箱液位系统的自动控制 试验条件：输入信号为+5V稳定电压;R = 102KQ , R = 102KQ , R = 102KQ , R = 100KQ , R = 0.98MQ , R = 101KQ，01234iR = 102KQ，R q 1 ； fRi水箱出水阀门一直保持一个很小的开度(从注水之初保持一个恒定扰动)I .纯比例环节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 频率l：12-E7mHz 2：匚hmj ff 占空率 1; ?2： chan off EMS 1： 35.70s 2： chan off502.526Hz图34阶跃响应曲线C=0, R5 = 510KQ , Kp图35阶跃响应曲线结论：a.水位的上升时间会因为电阻R5不同而变化，RJ曾大则上升时间缩短b.与未加扰动时相比，水箱的稳定液位降低，上升时间也变长了II .纯积分环节C=1 R F , R5 = 510KQ , T = R C = 0.51s口国口 ?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+ 频率 L：33.49mHz 2：chan off111 + + + 丁111.kWMyiW十f-叶 WfJT*件】.叫 + + + +*+-* + + * + 4+ + +4+ + + * +1+ + * +-J+ 1 1Illi+ 占空率1: ?111111+ + +2：chan off上升时间 L： 10.68s 2：chdn off+ le.esSCHHH10s 1CH1

21、EDGE ZCHI =1L.I CH2 500r.iiJ图36阶跃响应曲线64-J-an313 12= 0Sstop m迥理顷手,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图37阶跃响应曲线结论：a.水位的上升时间会因为电容不同而变化，电容增大则上升时间缩短b.与未加扰动时相比，上升时间明显变长，所以扰动将增加上升时间III.比例积分环节C=10 日F , R = 330KQ , K = R = 330 = 3.3, T = RC = 3.3s5P R 1