液位单回路控制系统仿真

1/1液位单回路控制系统仿真液位单回路控制系统的仿真

一、目的：了解和掌握单回路控制系统的组成和工作原理，运用Intouch工业组态软件实现液位单回路控制系统的仿真。

二、要求：控制界面友好，操作步骤清晰，控制算法正确，能够很好地反映液位

单回路控制系统的控制过程。

三、液位单回路控制系统介绍：PID调节器执行阀水箱对象液位传感器

设定液位

实际液位

euQ-

液位单回路控制系统方框图

系统中各组成单元的模型如下：

水箱对象模型：1

20020)(+=ssG液位传感器：量程0～40cm输出0～5V

执行阀：控制电压：0～10V对应0～100%开度，最大开度时Q=3.5cm3/s

四、仿真步骤：

首先应根据水箱对象模型，求出其在时域上的表达式：由G(s)=H(s)/Q(s),可以得到20*Q(s)=(200S+1)*H(s),两边同取拉氏反变换可得h（k）=0.0498*q(k)+0.997*h(k-1);其中h(k)为当前液位，q(k)对应执行阀输出。由于采用增量式PID算法，PID调节器的输入e(k)与u(k)有如下关系：

[]

[]

[][]∑∑∑=-==?=?+-=-+--?+?+--?=?++-??++?=--=?kiDICDkiICDk

iICiukukukukekekeKkeKkekeKkekeKieKkeKkekeKieKkeKkukuku01

0)()()1()()2()1(2)()()1()()2()1()()1()1()()()()

1()()(

另由执行阀电压与开度的关系，可得q(k)=0.35*u(k),由此便得到了h(k)与e(k)、e(k-1)、e(k-2)的关系。先假设设定液位为hs,则其对应的电压值应为hs/8,实际液位hr对应的电压值为hr/8,有方框图可知e=hs/8-hr/8;这便形成了闭环回路。界面设计如下

脚本设计如下：

IFstart==1THEN

e0=(hs-hr)/8;

deltu=kc*(e0-e1)+(kc*0.5/ki)*e0+(kc*kd/0.5)*(e0-2*e1+e2);

u=u1+deltu;

IFu>=10THEN

u=10;

ENDIF;

IFu(0.1*hs)ANDhr0.1*hsANDhr0.9*hsTHEN

m1=0;

ENDIF;

利用m1来限定脚本的运行，一旦hr超过0.9*hs，m1=0，则脚本下次不执行。

超调量over：

超调量的计算一开始我想简单了，因为我发现当曲线到达第一个峰值的时候，肯定有hr>hr1>hs,一旦曲线离开这个峰值，就不满足此条件，所以写了如下的程序：

IFhr1>hsANDhr>hr1THEN

over=hr-hs;

ENDIF;

可脚本一运行的时候我发现出了问题：本来应该在第一个峰值过后，超调量不应该变化，可过了一段时间它又变了。我找了半天发现了症结所在：因为振荡的存在，所以系统还有第二个波峰，当曲线运行到此时，上面那个脚本又开始运行了。后来我想到，可以设置一个标志j，初值为1，当检测到j=1运行时脚本，当曲线越过第一个波峰时，立即在脚本中将j置为0，这样下一次此脚本就不会运行了。程序如下：

IFhr1>hsANDj==1THEN

IFhr>hr1THEN

over=hr-hs;

ELSEj=0;

ENDIF;

ENDIF;

调节时间ts：

调节时间是指响应到达并保持在终值的5%内所需的时间，即hr保持在0.95*hs～1.05*hs所用的时间。由此我们想到当hr在此区间外计时，超过了便不计时。脚本如下：

IFhr=1.05*hsTHEN

k=k+1;

ENDIF;

这个脚本存在问题：当曲线处于上升阶段并进入误差带所对应的取值范围时，此脚本会停止计数，由此带来误差。但是，我和同学思考了半天，去找不出一个合适的解决方法来。因为振荡的存在，无法确定系统会在第几个波峰或者波谷内进入误差带即那个临界点很难确定。

今天请教了老师，发现我们想复杂了。其实不应该把计数器放在判断里，而是在外面，这样我们只需要判断何时到达临界点，然后用此时的k计算ts就行了。改正的脚本如下：

k=k+1;

IFhr=1.05*hsTHEN

m=0.5*k;

ENDIF;（m存放调节时间ts）

不同Kc、Ti、Td下的仿真结果：

①：

②：Kc=20，Ti=10，Td=1：对比1、2不难发现，Kc增大时，控制作用增强，上升速度快，余差减小，但没有完全消失。

③：Kc=5，Ti=20，Td=1：对比1、3不难发现，积分控制作用有利于消除余差，但降低了系统的稳定性。

④：Kc=5，Ti=10，Td=5：微分是按偏差的变化而作用的，它能够提高系统的稳定性，抑制振荡、抑制超调，且偏差变化越快，微分校正作用越强。

五、实验总结：

通过这次仿真实验，我们切实认识到了PID调节器的具体实现过程以及各参数对系统性能的影响，使课