水箱液位PID调节控制系统及实物仿真调试

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标满足σ%≤10%，调节器调节阀水槽测量变送UgUf+-高度出水阀系数-+＜0.5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；16、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。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1.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调节器调节阀水槽测量变送UgUf+-高度出水阀系数-+2图2水箱液位控制结构图表1水箱液位系统相关参数参数参数意义参数值1参数值2参数值3参数值4K阀体流量比例系数108.57.5120h水箱初始液位高度（m）21.50.50.75A水箱截面积（2m）107.212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—水箱流出量A—水箱截面积U—进水阀开度H—水箱液位高度0h—水箱初始液位高度1K—阀体流量比例系数假设f不变，系统初始状态为稳态：2011.5,8.5,7.2hmKAm则：312112101201211120=2laplace()()()7.2()()()()()3.47()2dhQQAdtQKuQKhhKQhhsQssAHssHssKUsKQsHsHsh在处进行线性化得到将前三式进行变换得QQ所以，系统的开环传递函数为()1.1815()()0.48233HsGsUss系统的开环结构图如图3所示，闭环结构图如图4所示图3水箱液位系统的开环结构图4UniformRandomNumberStepScopeSaturationPID(s)PIDController1sIntegrator3.47Gain20.139Gain18.5Gain图4水箱液位系统的闭环结构图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=1.5A=7.2K=8.5num=1.1815den=[1,0.48233]t=0:1:155step(num,den,t)得到开环传递函数的阶跃响应图如下：图5达稳态值10％的时间显示StepResponseTime(sec)Amplitude05101500.511.522.5System:sysRiseTime(sec):4.55System:sysPeakamplitude:2.45Overshoot(%):0Attime(sec):15System:sysSettlingTime(sec):8.14System:sysTime(sec):5.19Amplitude:2.256图6达稳态值90％的时间显示由图可知：5.190.2674.9230.200rssptsse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。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7图8校正环节参数由图可知，当只加入比例环节时，22.875,0.0799,0.142,0prspKCtsts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行校正。（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8图10PI校正环节的根轨迹图和伯德图图11PI校正环节的参数9由图可知，此时系统校正环节的传递函数为：10.7830.746()30.74623.98188csGsss23.98188,30.746piKK将以上参数带入系统闭环结构图，观察输出波形：图12结构框图中的PI参数将sisotool中得到的PI参数带入结构框图后，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。饱和特性参数如下图所示：10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，将扰动参数调整成如下图所示：图14扰动参数当各个元件的参数按上述设置时，最终的响应曲线如下图：图15PI校正后最优的阶跃响应曲线显然，曲线峰值没有达到1.05，故超调量小于5％11图16第一次达稳态值时间显示（tr）显然，0.14rts，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st0.5s。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。故一般选择比例积分环节作为校正环节可以达到最佳校正效果。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12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.加入极点13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14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15图24PID校正环节的伯德图和根轨迹图从图中得到：5(10.77)(16.410)33.243()33.24325.600.00164cssGssss，所以，25.60,36.243,0.00164PidKKK。将以上参数带入结构图中验证，如下图所示：图25PID参数16UgPIDUf功率放大水泵液位测量Uo图27水箱液位控制系统框图图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,,PidKKK总体相近。可见，用PID调节也可达到设计要求，但从PID参数可知，与,piKK相比，dK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校正环节的传递函数为：30.746()23.98188cGssPI参数为：23.98188,30.746piKK三.硬件调试单元1.设计原理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，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。17PID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0～6Kpa，输出电压为0～10V，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：R0=R1=R2=100K，R3=10K，R4=2M，R5=510K，C1=1F，Rf/Ri=1。U给定+-+-INOUT水箱液位控制系统R0R1R2R3R5RfRi-+U1-{+U2-+U3VccVccVccU反馈CR4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。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－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=0，R4的作用是提18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。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。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验条件：输入信号为+5V稳定电压；0102RK,1102RK,2