基于PID的水箱液位控制系统设计

计算机控制技术课程设计报告计算机控制技术课程设计评语：考勤（10）守纪（10）过程（40）设计报告（30）答辩（10）总成绩（100）专业：自动化班级：姓名：学号：指导教师：兰州交通大学自动化与电气工程学院2015年07月24日水箱液位控制系统设计1设计目的（1）掌握水箱液位控制系统的工作原理、工作过程以及其控制操作方式。（2）培养学生的创新意识，提高学生的动手能力，分析问题和解决问题的能力。（3）应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。（４）掌握计算机控制系统的设计方法以及MATLAB编程方法。2设计内容及要求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。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于单片机编程语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。3设计方案及原理3.1设计方案本次设计的任务就是使水箱液位保持在给定值所要求的高度或在某一个小范围内变化。实现水位的自动调节和控制。整个系统可由测量元件及变送器、控制器、调节阀和被控对象组一个简单的控制系统。并且只对一个被控参数进行控制，采用单回路反馈控制。3.2设计原理液位控制中有模拟PID调节器外还可以采用计算机PID控制，计算机控制系统中除去检测、变送装置、执行机构等常用的模拟部件外，其完成控制功能的核心是计算机。PID控制系统原理图如图1所示，其参数对系统性能的影响从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑,Kp,Ki,Kd的作用如下:(1)比例系数Kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。Kp越大,系统的响应速度越快,系统的调节精度越高,但易产生超调,甚至导致系统不稳定。Kp取值过小,则会降低调节精度,使响应速度缓慢,从而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏。(2)积分作用系数Ki的作用是消除系统的稳态误差。Ki越大,系统的稳态误差消除越快,但Ki过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调。若Ki过小,将使系统稳态误差难以消除,影响系统的调节精度。(3)微分作用系数Kd的作用是改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势。并能在偏差信号值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。图1PID控制系统原理图3.3系统结构过程控制由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统。如图2所示。给定值检测变送水箱执行器控制器给定值检测变送水箱执行器控制器液位高度液位高度-+-+图图2控制系统框图 4硬件设计4.1硬件选择控制器：采用直接数字控制系统DCC（DirectDigitalControl）。模块选择：过程控制装置的数据采集和控制采用牛顿7000系列远程采集模块和组态元件组成。D/A采用7024模块；A/D采用7017模块；通讯采用485转换模块。执行器：电动调节阀采用德国PSL型智能电动调节阀，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，运行平稳，体积小，力矩大控制精度高，可靠性高操作方便并可以与计算机配套使用，组成最佳调节回路；水泵采用丹麦兰富循环水泵，噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变送器一起可构成恒压供水系统。液位传感器：采用工业的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标志信号输出。4.2硬件连接图图3硬件连接图4.3系统结构原理图直接数字控制系统DCC，就是用一台工业计算机配以适当的输入、输出设备，从输入通道获取生产过程的信息，按照预先规定的控制算法计算出控制量，并通过输出通道直接作用于执行器，实现对生产过程的控制。由于计算机运算速度快，通过分时处理，一台计算机可以对多个回路进行控制。一个DCC系统可以实现多个回路PID调节及其他辅助控制，DCC系统能满足不同生产过程的控制要求。其系统结构图如图4所示。DDC控制计算机DDC控制计算机ICP7017-A/DICP7024-D/AICP7017-A/DICP7024-D/AAE2000过程控制对象AE2000过程控制对象图4DDC系统结构框图5仿真软件设计及调试（1）无干扰PID系统仿真a.参数设置：K=45，Ti=0.1,Td=350b.无干扰PID系统仿真框图如附录图5。c.仿真结果：使用PID整定参数得到阶跃响应曲线如附录图6。（1）加干扰PID系统仿真a.参数设置：K=45，Ti=0.1,Td=350b.加干扰PID系统仿真框图如附录图7。c.仿真结果：使用PID整定参数得到阶跃响应曲线如附录图8。6总结通过本次课程设计，我学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。从设计内容来讲，或许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是MATLAB的操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养了自己的学习研究能力，这对今后的学习有很大帮助。6总结在本次课程设计，我学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法以及MATLAB的操作同时完成了软件方面的工作，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。基本掌握了简单系统模型的PID参数整定方法，对PID调节器中的P、I、D各个参数的功能、特性有了更加深刻的认识，通过实验验证的方式，很多内容印象非常深刻。从设计内容来讲，或许学习的是仅仅过程控制，学习的仅仅是MATLAB的操作，但设计过程中，从设计思想，到研究方法，再到结论总结都培养