1、濱州學院課 程 設 計課程名稱 工業自動化儀表與過程控制 課題名稱 單容水箱液位控制系統 專 業 自動化 班 級 08電本一 學 號 2008090124 姓 名 孫運柱 指導教師 劉瑞歌 單容水箱液位控制系統的設計一、單容水箱液位控制系統建模1.1液位控制的實現除模擬PID調節器外，可以采用計算機PID算法控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉換，變成數字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中，根據水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到單片機中，由單片機將數字信號轉換成模擬信號。最后，由單片機的輸出模擬信號控制交流變頻器，

2、進而控制電機轉速，從而形成一個閉環系統，實現水位的計算機自動控制。1.2 被控對象本設計探討的是單容水箱的液位控制問題。為了能更好的選取控制方法和參數，有必要知道被控對象上水箱的結構和特性。由圖1-1所示可以知道，單容水箱的流量特性：水箱的出水量與水壓有關，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當水箱水位升高時，其出水量也在不斷增大。所以，若閥開度適當，在不溢出的情況下，當水箱的進水量恒定不變時，水位的上升速度將逐漸變慢，最終達到平衡。由此可見，單容水箱系統是一個自衡系統。圖1-1 單容水箱結構圖1.3 水箱建模這里研究的被控對象只有一個，那就是單容水箱（圖2-1）。要對該對象進行較好的計算機控

3、制，有必要建立被控對象的數學模型。正如前面提到的，單容水箱是一個自衡系統。根據它的這一特性，我們可以用階躍響應測試法進行建模。如圖2-1，設水箱的進水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。若Q1作為被控對象的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控對象的數學模型就是h與Q1 之間的數學表達式。根據動態物料平衡關系有 （2-1）將式（2-1）表示為增量形式 （2-2）式中，、分別為偏離某一平衡狀態、的增量； C水箱底面積。 在靜態時，=；=0；當發生變化時，液位h隨之變化，閥處的靜壓也隨之變化，也必然發生變化。由流體力學可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線性

4、關系。但為簡化起見，經線性化處理，則可近似認為與成正比，而與閥的阻力成反比，即 或 （2-3）式中，為閥的阻力，稱為液阻。將式（2-3）代入式（2-2）可得 （2-4）在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得： （2-5）式中，T=R2C為水箱的時間常數（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數），K=R2為過程的放大倍數。令輸入流量=，為常量，則輸出液位的高度為： (2-6)即 （2-7）當t時， 因而有 （2-8） 當t=T時，則有 （2-9）式（2-7）表示一階慣性環節的響應曲線是一單調上升的指數函數，如圖2-2所示。由式（2-9）可知該曲線上升到穩態值的63.2%所對應的時間，就是水箱

5、的時間常數T。該時間常數T也可以通過坐標原點對響應曲線作切線，此切線與穩態值的交點所對應的時間就是時間常數T。圖2-2階躍響應曲線二、液位控制系統中的PID算法控制數字PID控制是在實驗研究和生產過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹PID控制的基本原理，液位控制系統中用到的數字PID控制算法及其具體應用。2.1 PID控制原理 一般，在控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。常規PID控制系統原理框圖如圖3-1所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t)圖3-1 模擬

6、PID控制系統原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差 (3-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規律為 (3-2)寫成傳遞函數形式為 (3-3)式中 比例系數； 積分時間常數； 微分時間常數；從系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環節的作用如下：1、比例環節 用于加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。越大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統不穩定。取值過小，則會降低調節精度，使響應

7、速度緩慢，從而延長調節時間，使系統靜態、動態特性變壞。2、積分環節 主要用來消除系統的穩態誤差。越小，系統的靜態誤差消除越快，但過小，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。若過大，將使系統靜態誤差難以消除，影響系統的調節精度。3、微分環節 能改善系統的動態特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節時間，而且會降低系統的抗干擾性能。3、 軟件設計3.1 控制窗口設計3.2 控制算法設計當系統運行時在監控界面中可以選擇控制對象和控制算法，可以點擊手動/自動按鈕改變控制方式，自動控制時可以從鍵盤輸入設定值、控制參數，手動控制時可以輸入閥門