2022年单容水箱液位控制系统 .pdf

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1、滨州学院课程设计课程名称工业自动化仪表与过程控制课题名称单容水箱液位控制系统专业自动化班级08 电本一学号2008090124 姓名孙运柱指导教师刘瑞歌名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 单容水箱液位控制系统的设计一、单容水箱液位控制系统建模1.1 液位控制的实现除模拟 PID 调节器外，可以采用计算机 PID 算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位； 水位实际值通过单片机进行A/D 转换，变成数字信号后， 被输入

2、计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值， 再将输出值传送到单片机中， 由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。1.2 被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象上水箱的结构和特性。由图 1-1 所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀2V 开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不

3、变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。图 1-1 单容水箱结构图1.3 水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2-1） 。要对该对象进行较好的计算机控制， 有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的， 单容水箱是一个自衡系统。 根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。如图 2-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为h，出水阀 V2固定于某一开度值。 若 Q1作为被控对象的输入变量， h 为其输出变量， 则该被控对象的数学模型就是h 与 Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有12dhQQCdt

4、（2-1）将式（ 2-1）表示为增量形式12dhQQCdt（2-2）式中，1Q 、2Q 、h分别为偏离某一平衡状态10Q 、20Q、0h 的增量； C水箱底面积。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 在静态时，1Q =2Q ； dh dt =0；当1Q 发生变化时，液位h 随之变化，阀2V 处的静压也随之变化，2Q 也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位 h 与流量之间为非线性关系。 但为简化起见， 经

5、线性化处理， 则可近似认为1Q 与h成正比，而与阀2V 的阻力2R 成反比，即22hQR或22hRQ（2-3）式中，2R 为阀2V 的阻力，称为液阻。将式（ 2-3）代入式（ 2-2）可得221dhR ChRQdt（2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2012( )( )( )11RH sKGsQsR CsTs（2-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数） ，K=R2为过程的放大倍数。令输入流量1( )Q s =0/Rs，0R 为常量，则输出液位的高度为：000( )(1)1/KRKRKRH ss TsssT (2-6) 即10( )(1)

6、tTh tKRe（2-7）当 t时，0()hKR因而有0( )hKR输出稳态值阶跃输入（2-8）当 t=T 时，则有100( )(1)0.6320.632 ( )h TKReKRh（2-9）式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2 所示。由式（ 2-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数 T。该时间常数 T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。t00.63h0 0( )h0 0( )22Th(t)2名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

7、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 二、液位控制系统中的PID 算法控制数字 PID 控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID 控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID 控制算法及其具体应用。2.1 PID 控制原理一般，在控制系统中， 控制器最常用的控制规律是PID 控制。常规 PID 控制系统原理框图如图3-1 所示。系统由模拟PID 控制器和被控对象组成。 PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输

8、出值c(t) 构成控制偏差( )( )( )e tr tc t (3-1) 将偏差的比例（ P） 、积分（ I ）和微分（ D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。它的控制规律为0( )1( )( )( )tDPIT de tu tKe te t dtTdt (3-2) 写成传递函数形式为( )1( )(1)( )PDIU sG sKT sE sT s (3-3) 式中PK 比例系数；IT 积分时间常数；DT 微分时间常数；积分比例微分被控对象+ + u(t) e(t) r(t) + - c(t) 图 3-1 模拟 PID 控制系统原理框图图 2-2 阶跃响应曲

9、线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID 控制器各校正环节的作用如下：1、比例环节用于加快系统的响应速度， 提高系统的调节精度。PK 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，甚至会导致系统不稳定。PK 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、积分环节主要用来消除系统的稳态误差。IT 越

10、小，系统的静态误差消除越快，但IT 过小，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IT 过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3、微分环节能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但DT 过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。三、软件设计在设计系统软件之前，需要先将PC 机和虚拟网络控制器连接起来，然后打开 MAX 软件，对控制器的硬件进行必要的配置，主要包括：虚拟网络控制器的 IP 地址和 PC 机的 IP 地址要在同一网段内 （这里前者为 200.200.200

11、.2 ） ，模拟输入通道的信号范围限制在0 - 0.024毫安, 输出通道信号范围为0 - 10.2伏。配置完成之后，建立一个实时项目，以后所有的设计文件都包含在项目文件夹中，这样便于管理。3.1 控制算法设计当系统运行时在监控界面中可以选择控制对象和控制算法，可以点击手动/自动按钮改变控制方式， 自动控制时可以从键盘输入设定值、控制参数， 手动控制时可以输入阀门开度值，界面中显示实时控制曲线及实时数据。根据课程设计要求，系统至少能够实现三种控制算法，本设计采用了常规PID 算法系统程序如下所示名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

12、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 下面介绍一下 PID 算法的程序。图 3-6PID 算法程序图系统总体程序流程图如下名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -