单容水箱液位控制系统的设计

1、单罐液位控制系统的设计根据液位系统的过程机理，建立了单罐的数学模型。本文介绍了PID控制和数字PID算法的基本原理，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制仿真界面和算法程序，并进行了系统仿真。通过整定PID参数，可以同时得到整定后的仿真曲线和实际曲线。关键词：单罐，罐建模，液位控制，PID算法，增量式PID一、前言过程控制是自动化技术的一个重要应用领域，是指对液位、温度、流量等过程变量的控制，已广泛应用于冶金、机械、化工和电力等领域。尤其是液位控制技术在现实生活和生产中发挥着重要作用。例如，如果民用水塔水位过低，会影响居民的生活用水量；工

2、矿企业的排水和流入，如果控制得当，与车间的生产情况有关；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，锅炉会过热，可能发生事故；精制流程塔的液位控制、控制精度和流程将影响产品的质量和成本。在这些生产领域中，基本上都是劳动密集型或危险作业，在操作中很容易出错，给生产厂家造成事故和损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确性和控制效果直接影响到生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。因此，为了保证安全条件和方便操作，有必要研究和开发先进的液位控制方法和策略。本设计以液位控制系统的水箱为研究对象，水箱的液位为被控量，出口阀作为控制系统的执行机构。根据过程控制试验台液位控制系统的特点，建立了基于Visual B

3、asic语言的PID液位控制仿真界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最广泛的控制算法。然而，为了达到良好的控制效果，有必要对PID控制参数进行合理的调整，使其具有合理的值。二、单罐液位控制系统的建模2.1液位控制的实现除了模拟PID调节器外，计算机PID算法也可用于控制。首先，压差传感器检测水箱的水位。水位的实际值由单片机进行模数转换，然后转换成数字信号，输入计算机。最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值的差值，通过PID程序算法得到输出值，然后传输给单片机，单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，单片机输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，形成闭环系统，实现水位的计算机

4、自动控制。2.2受控对象本设计讨论了单罐液位控制。为了选择更好的控制方法和参数，有必要了解被控对象上水箱的结构和特性。如图2-1所示，可以知道单个储罐的流动特性如下：水箱的出水量与水压有关，水压几乎与水位成正比。这样，当水箱的水位上升时，水的输出也增加。因此，如果阀门开度合适，当水箱进水恒定不溢流时，水位的上升速度将逐渐减慢，最终达到平衡。因此，单罐系统是一个自平衡系统。图2-1单容量水箱结构图2.3水箱建模这里只研究了一个受控对象，即单个储罐(图2-1)。为了用计算机控制被控对象，有必要建立被控对象的数学模型。如前所述，单罐是一个自平衡系统。根据根据动态物料平衡关系，有(2-1)公式(2-1

5、)以增量形式表示(2-2)其中、和分别是偏离某一平衡状态的增量；C水箱底部区域。在静态下，=；=0；当液位h变化时，阀门处的静压也随之变化。根据流体力学，在湍流中，液位h和流量之间存在非线性关系。然而，为了简化起见，在线性化之后，可以近似地认为它与阀的阻力成正比和反比，即或(2-3)式中，对于阀门的阻力，称为液体阻力。可以将式(2-3)代入式(2-2)(2-4)在初始条件为零的情况下，求上述公式的拉普拉斯变换，得到：(2-5)公式中，T=R2C是水箱的时间常数(注意：V2阀的开启会影响水箱的时间常数)，K=R2是过程的放大倍数。假设输入流量=恒定，那么输出液位的高度为：(2-6)即，(2-7)

6、当t时，有(2-8)当t=T时，有(2-9)等式(2-7)表明，一阶惯性环节的响应曲线是单调上升的指数函数，如图2-2所示。根据公式(2-9)，对应于曲线上升到稳态值的63.2%的时间是水箱的时间常数t。时间常数t也可以通过坐标原点对响应曲线进行切线，切线与稳态值的交点对应的时间就是时间常数t。图2-2阶跃响应曲线3.液位控制系统中的PID算法控制数字PID控制是实验研究和生产过程中最常用的控制方法，在液位控制系统中也起着极其重要的作用。本章主要介绍了PID控制的基本原理，数字PID控制算法在液位控制系统中的应用及其具体应用。3.1 PID控制原理一般来说，在控制系统中，控制器最常用的控制规律

7、是PID控制。常规PID控制系统的原理框图如图3-1所示。该系统由模拟PID控制器和被控对象组成。积分比例差别被控对象u(t)e(t)r(t)-c(t)图3-1模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它基于给定值r(t)和实际输出值c(t)形成控制偏差(3-1)偏差的比例(p)、积分(I)和微分(d)可以线性组合形成一个控制量来控制被控对象，所以称之为PID控制器。它的控制法则如下(3-2)以传递函数的形式写成(3-3)型比例系数；积分时间常数；差分时间常数；考虑到系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度，PID控制器各校正环节的功能如下：1.比例链接用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。它越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但容易产生超调，甚至导致系统的不稳定。如果该值过小，调节精度将降低，响应速度将变慢，从而延长调节时间并恶化系统的静态和动态特性。2.集成链接主要用于消除系统的稳态误差。它越小，系统的静态误差消除得越快。然而，如果它太小，积分饱和将发生在响应过程的初始阶段，这将导致响应过程的大的过冲。如