單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、單罐液位控制系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)液位系統(tǒng)的過程機理，建立了單罐的數(shù)學(xué)模型。本文介紹了PID控制和數(shù)字PID算法的基本原理，并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了基于Visual Basic語言的PID液位控制仿真界面和算法程序，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。通過整定PID參數(shù)，可以同時得到整定后的仿真曲線和實際曲線。關(guān)鍵詞：單罐，罐建模，液位控制，PID算法，增量式PID一、前言過程控制是自動化技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，是指對液位、溫度、流量等過程變量的控制，已廣泛應(yīng)用于冶金、機械、化工和電力等領(lǐng)域。尤其是液位控制技術(shù)在現(xiàn)實生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。例如，如果民用水塔水位過低，會影響居民的生活用水量；工

2、礦企業(yè)的排水和流入，如果控制得當(dāng)，與車間的生產(chǎn)情況有關(guān)；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內(nèi)液位過低，鍋爐會過熱，可能發(fā)生事故；精制流程塔的液位控制、控制精度和流程將影響產(chǎn)品的質(zhì)量和成本。在這些生產(chǎn)領(lǐng)域中，基本上都是勞動密集型或危險作業(yè)，在操作中很容易出錯，給生產(chǎn)廠家造成事故和損失。可見，在實際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確性和控制效果直接影響到生產(chǎn)成本、經(jīng)濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。因此，為了保證安全條件和方便操作，有必要研究和開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。本設(shè)計以液位控制系統(tǒng)的水箱為研究對象，水箱的液位為被控量，出口閥作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。根據(jù)過程控制試驗臺液位控制系統(tǒng)的特點，建立了基于Visual B

3、asic語言的PID液位控制仿真界面和算法程序。雖然PID控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的控制算法。然而，為了達(dá)到良好的控制效果，有必要對PID控制參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，使其具有合理的值。二、單罐液位控制系統(tǒng)的建模2.1液位控制的實現(xiàn)除了模擬PID調(diào)節(jié)器外，計算機PID算法也可用于控制。首先，壓差傳感器檢測水箱的水位。水位的實際值由單片機進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入計算機。最后，在計算機中，根據(jù)水位給定值與實際輸出值的差值，通過PID程序算法得到輸出值，然后傳輸給單片機，單片機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，單片機輸出模擬信號控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機轉(zhuǎn)速，形成閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水位的計算機

4、自動控制。2.2受控對象本設(shè)計討論了單罐液位控制。為了選擇更好的控制方法和參數(shù)，有必要了解被控對象上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。如圖2-1所示，可以知道單個儲罐的流動特性如下：水箱的出水量與水壓有關(guān)，水壓幾乎與水位成正比。這樣，當(dāng)水箱的水位上升時，水的輸出也增加。因此，如果閥門開度合適，當(dāng)水箱進(jìn)水恒定不溢流時，水位的上升速度將逐漸減慢，最終達(dá)到平衡。因此，單罐系統(tǒng)是一個自平衡系統(tǒng)。圖2-1單容量水箱結(jié)構(gòu)圖2.3水箱建模這里只研究了一個受控對象，即單個儲罐(圖2-1)。為了用計算機控制被控對象，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。如前所述，單罐是一個自平衡系統(tǒng)。根據(jù)根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系，有(2-1)公式(2-1

5、)以增量形式表示(2-2)其中、和分別是偏離某一平衡狀態(tài)的增量；C水箱底部區(qū)域。在靜態(tài)下，=；=0；當(dāng)液位h變化時，閥門處的靜壓也隨之變化。根據(jù)流體力學(xué)，在湍流中，液位h和流量之間存在非線性關(guān)系。然而，為了簡化起見，在線性化之后，可以近似地認(rèn)為它與閥的阻力成正比和反比，即或(2-3)式中，對于閥門的阻力，稱為液體阻力?？梢詫⑹?2-3)代入式(2-2)(2-4)在初始條件為零的情況下，求上述公式的拉普拉斯變換，得到：(2-5)公式中，T=R2C是水箱的時間常數(shù)(注意：V2閥的開啟會影響水箱的時間常數(shù))，K=R2是過程的放大倍數(shù)。假設(shè)輸入流量=恒定，那么輸出液位的高度為：(2-6)即，(2-7)

6、當(dāng)t時，有(2-8)當(dāng)t=T時，有(2-9)等式(2-7)表明，一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)，如圖2-2所示。根據(jù)公式(2-9)，對應(yīng)于曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63.2%的時間是水箱的時間常數(shù)t。時間常數(shù)t也可以通過坐標(biāo)原點對響應(yīng)曲線進(jìn)行切線，切線與穩(wěn)態(tài)值的交點對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)t。圖2-2階躍響應(yīng)曲線3.液位控制系統(tǒng)中的PID算法控制數(shù)字PID控制是實驗研究和生產(chǎn)過程中最常用的控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也起著極其重要的作用。本章主要介紹了PID控制的基本原理，數(shù)字PID控制算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及其具體應(yīng)用。3.1 PID控制原理一般來說，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律

7、是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例差別被控對象u(t)e(t)r(t)-c(t)圖3-1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器是一種線性控制器，它基于給定值r(t)和實際輸出值c(t)形成控制偏差(3-1)偏差的比例(p)、積分(I)和微分(d)可以線性組合形成一個控制量來控制被控對象，所以稱之為PID控制器。它的控制法則如下(3-2)以傳遞函數(shù)的形式寫成(3-3)型比例系數(shù)；積分時間常數(shù)；差分時間常數(shù)；考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的功能如下：1.比例鏈接用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。它越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。如果該值過小，調(diào)節(jié)精度將降低，響應(yīng)速度將變慢，從而延長調(diào)節(jié)時間并惡化系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性。2.集成鏈接主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。它越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除得越快。然而，如果它太小，積分飽和將發(fā)生在響應(yīng)過程的初始階段，這將導(dǎo)致響應(yīng)過程的大的過沖。如