水箱液位PID调节控制系统和实物仿真调试

水箱液位PID调节控制系统和

实物仿真调试

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适宜的高度，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展检测、

控制，能收到很好的效果cPID控制〔比例、积分和微分控制〕是目前采用最多

的控制方法。

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适宜的高度，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展检测、

控制，能收到很好的效果。

本论文利用PID算法在matlab中进展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，建设水箱液位控制系统的数学

模型，并进展线性化；

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标满足o%W10%,$V0.5秒，静态误差小

于2%;

3、通过在matlab编程中求取适宜的反响变量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、参加P、PI、PD、PID环节分别进展调试；

5、选取适宜的极点并通过图形分析是否满足系统的性能参数；

6、比较参加各种不同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。

二.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局部，软件仿真的目的是对

系统先进展建模，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〃的液位控制问题进展认真和透彻的研究，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

1.软件仿真单元

根据图1的原理图和图2系统的构造图，对单容水箱系统建模

图2水箱液位控制构造图

表1水箱液位系统相关参数

参参数意义参数参数参数参数

数值1值2值3值4

K阀体流量比例108.57.512

系数

h0水箱初始液.位

21.50.50.75

高度〔机〕

A水箱截面积

107.212

〔心

可借助Simulink搭建系统的仿真模型，先对系统进展开环分析，得出相关结论,

然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:

Q1一水箱流入量

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

%一水箱初始液位高度

用一阀体流量比例系数

假设f不变，系统初始状态为稳态：&=8.5,A=7.2〃/

丹卜么：

c、_"(s)_1.1815

G(s)=----=----------

所以，系统的开环传递函数为U(s)5+0.48233

系统的开环构造图如图3所示，闭环构造图如图4所示

图3水箱液位系统的开环构造图

QScope!。回汉।

昌皆庐©QAE3B0

0246810

Timeoffset:0

图4水箱液位系统的闭环构造图

■ScopeI.d.回22

昌图*月夕晶编第Ba/g

0246810

Timeoffset:0

3.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=1.5

A=7.2

K=8.5

num=1.1815

den=[1,0.48233]

t=0:1:15

step(num,den,t)

得到开环传递函数的阶跃响应图如下

FileEditViewInsertToolsDesktopWindowHelp

040昌©0。⑥福口园BQ

图5达稳态值10%的时间显示

图6达稳态值90%的时间显示

由图可知：

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

有到达预期的要求。

2.1.3.2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

图7比例控制校正后的阶跃响应曲线

图8校正环节参数

由图可知，当只参加比例环节时，

22.87“-0.0799s凡-0.142s,%-0可以满足系统的性能指标,但比要

求小的多，会有较大的误差出现。所以，一般不单独加比例环节进展校正。

〔2〕加比例积分控制环节〔PI〕校正后系统的阶跃响应

图9加PI校正环节后系统的阶跃输出响应

图10PI校正环节的根轨迹图和伯德图

图11PI校正环节的参数

由图可知，此时系统校正环节的传递函数为：

〃/、ccr/N1+0.785__r,oioo30.746

G(s)=30.746X-----------=23.98188+----------

ss

将以上参数带入系统闭环构造图，观察输出波形：

图12构造框图中的PI参数

将sisotool中得到的PI参数带入构造框图后，根据饱和特性前示波器的显

示和最终的阶跃响应曲线共同分析，并考虑最优曲线，调节饱和特性参数，最终

得到在如下参数时，阶跃响应曲线可以很好的满足系统的各种性能要求。饱和特

性参数如以以下图所示：

图13饱和特性参数

由于输入为单位阶跃响应，稳态值为1,所以扰动不能太大，但又要使扰动

信号起到一定的作用，综合考虑，将扰动参数调整成加以以下图所示：

图14扰动参数

当各个元件的参数按上述设置时，最终的响应曲线如以以下图：

图15PI校正后最优的阶跃响应曲线

显然，曲线峰值没有到达1.05,故超调量小于5%

图16第一次达稳态值时间显示〔tr〕

显然，Zr<0J4s,完全满足系统要求的0.2s,并且很接近。

图17衰减到误差为2%的时间

由上图可知，曲线在0.35s时高度首次降为1.02,进入±2%的误差带，无

震荡的趋于稳态，所以调节时间’Y0.5s0

综上所述，该系统的各性能指标很好的满足了要求，并较只加比例环节时与

各项性能要求十分接近，所以系统在合理范围内会得到更优的图形。故一般选择

比例才只分环节作为校正环节可以到达最正确校正效果。

加比例微分控制环节〔PD〕校正后系统的阶跃响应

A.未加极点

图18PD校正下的阶跃响应

图19PD校正环节的各项参数

由上图可知，未加极点的PD校正环节使系统的变化趋势与要求完全相反

B.参加极点

图20PD校正下的阶跃响应

图21PD校正环节的各项参数

由上图可知，当PD环节参加极点后，图形瞬间上升又迅速下降为0,也与

要求的输出曲线完全不同，所以，该系统不采用PD环节进展校正。

加比例积分微分控制环节〔PID〕校正后系统的阶跃响应

图22PID下的最优阶跃响应曲线

图23PID环节下最优阶跃响应曲线时的校正环节参数

图24PID校正环节的伯德图和根轨迹图

从图中得到：

、一0"(l+0.77s)U+6.4x10%)33.243,八。

G,.($)=33.243x-------------------------=25.60I---------F0.00164$

SS

所以右=25.60,K,=36.243,=0.00164。

将以上参数带入构造图中验证，如以以下图所示：

图25PID参数

图26PID校正后的阶跃输出响应曲线

可以看到，与只有PI校正时的右，心%总体相近。

可见，用PID调节也可到达设计要求，但从PID参数可知，与相比，

勺很小，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正确选择。

G.(5)=23.98188+30,746

PI校正环节的传递函数为：s

K〃一23.98188,匕一30.746

PI参数为:

三.硬件调试单元

1,设计原理

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响电路组成。在参数给定的情况下，经过PID运算产

生相应的控制量，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1.3V〜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埔水箱的水压，转换成电压信号作为电压反响

信号，水泵的水压为。〜6Kpa,输出电压为。〜10V,这里由于水箱的高度受实脸

台的限制，所以调节压力变送器的量程使得水位到达250mm时压力变送器的输出

电压为5Vo

根据实际的设计要求，调节反响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、也压表和转速计表外，

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，在实标的

实验中需联系实际的控制对象进展参数的试凑，以到达预定的效果。参考的试验

参数为：

R-R-R2=100KQ,R3=10Kfi,R,=2MQ,R6=510KQ,C,=1pF,Rf/R=10

图28硬件设计接线图

具体的设计步藤如下：

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。

2.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〕给定输出接PI调节器的输入，这里参考电路中Kd=O,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〔0~10V〕的正极，负极接地。

〔4〕液位测量的输出的正极接到ACCT-II面板上的反响回路，由于液位输

出的电压为正值，所以反响回路中接一个反响系数可调节的反相器。调节反响系

数。=Rf/Ri,从而调节输出的液位高度H。

3.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。

4.在闭环系统稳定的情况下，外加干扰信号，系统到达无静差。如达不到，

那么根据PI参数对系统性能的影响重新调节PI参数。

5.改变给定信号，观察系统动态特性。

五、测量结果

(1)未加扰动时水箱液位系统的自动控制

试龄条件：输入信号为+5V稳定电压；

%=102KC,/?,=102KC,R?=102K。,R、=100KC,凡=0.98MQ,R=101KC

Rf

,Q=102KO,2之1;

水箱出水阀门紧闭。

I.纯比例环节

R44()

①C=0,a=33。心2,Kp=」=—=3.3

、氏100

图29阶跃响应曲线

②C=0,凡=510KO,K.=8="=5.1

%「&100

图30阶跃响应曲线

可见，水位的上升时'可会因为电阻用不同而变化，4增大那么上升时间缩

短。

II.纯积分环节

〃尸，

①C=14=510KQ,Ti=R,C=O.5\s

图31阶跃响应曲线

②C=10〃尸，4=510KQ,7；=qC=5.15

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，电容增大那么上升时间缩短

此比例积分环节

eno〃尸，4=330KO,K〃=$=喘=3.3,7；=&C=3.3s

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，在开场时比例环节起着较强的作

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。

(2)参加扰动时水箱液位系统的自动控制

试险条件：输入信号为+5V稳定电压；

%=102KC,/?,=102KC,R?=102K。,R、=100KC,凡=0.98MQ,R=101KC

Rf

,Q=102KO,2之1;

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

R44()

①C=0,a=33。心2,Kp=」=—=3.3

、氏100

图34阶跃