1、單罐液位控制系統的設計根據液位系統的過程機理，建立了單罐的數學模型。本文介紹了PID控制和數字PID算法的基本原理，并根據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，并進行了系統仿真。通過整定PID參數，可以同時得到整定后的仿真曲線和實際曲線。關鍵詞：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的一個重要應用領域，是指對液位、溫度、流量等過程變量的控制，已廣泛應用于冶金、機械、化工和電力等領域。尤其是液位控制技術在現實生活和生產中發揮著重要作用。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、礦企業的排水和流入，如果控制得當，與車間的生產情況有關；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內液位過低，鍋爐會過熱，可能發生事故；精制流程塔的液位控制、控制精度和流程將影響產品的質量和成本。在這些生產領域中，基本上都是勞動密集型或危險作業，在操作中很容易出錯，給生產廠家造成事故和損失。可見，在實際生產中，液位控制的準確性和控制效果直接影響到生產成本、經濟效益甚至設備的安全系數。因此，為了保證安全條件和方便操作，有必要研究和開發先進的液位控制方法和策略。本設計以液位控制系統的水箱為研究對象，水箱的液位為被控量，出口閥作為控制系統的執行機構。根據過程控制試驗臺液位控制系統的特點，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控制是控制系統中應用最廣泛的控制算法。然而，為了達到良好的控制效果，有必要對PID控制參數進行合理的調整，使其具有合理的值。二、單罐液位控制系統的建模2.1液位控制的實現除了模擬PID調節器外，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行模數轉換，然后轉換成數字信號，輸入計算機。最后，在計算機中，根據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，單片機將數字信號轉換成模擬信號。最后，單片機輸出模擬信號控制交流變頻器，進而控制電機轉速，形成閉環系統，實現水位的計算機

4、自動控制。2.2受控對象本設計討論了單罐液位控制。為了選擇更好的控制方法和參數，有必要了解被控對象上水箱的結構和特性。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，水壓幾乎與水位成正比。這樣，當水箱的水位上升時，水的輸出也增加。因此，如果閥門開度合適，當水箱進水恒定不溢流時，水位的上升速度將逐漸減慢，最終達到平衡。因此，單罐系統是一個自平衡系統。圖2-1單容量水箱結構圖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學模型。如前所述，單罐是一個自平衡系統。根據根據動態物料平衡關系，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的增量；C水箱底部區域。在靜態下，=；=0；當液位h變化時，閥門處的靜壓也隨之變化。根據流體力學，在湍流中，液位h和流量之間存在非線性關系。然而，為了簡化起見，在線性化之后，可以近似地認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。可以將式(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(注意：V2閥的開啟會影響水箱的時間常數)，K=R2是過程的放大倍數。假設輸入流量=恒定，那么輸出液位的高度為：(2-6)即，(2-7)

6、當t時，有(2-8)當t=T時，有(2-9)等式(2-7)表明，一階慣性環節的響應曲線是單調上升的指數函數，如圖2-2所示。根據公式(2-9)，對應于曲線上升到穩態值的63.2%的時間是水箱的時間常數t。時間常數t也可以通過坐標原點對響應曲線進行切線，切線與穩態值的交點對應的時間就是時間常數t。圖2-2階躍響應曲線3.液位控制系統中的PID算法控制數字PID控制是實驗研究和生產過程中最常用的控制方法，在液位控制系統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，數字PID控制算法在液位控制系統中的應用及其具體應用。3.1 PID控制原理一般來說，在控制系統中，控制器最常用的控制規律

7、是PID控制。常規PID控制系統的原理框圖如圖3-1所示。該系統由模擬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)以傳遞函數的形式寫成(3-3)型比例系數；積分時間常數；差分時間常數；考慮到系統的穩定性、響應速度、超調量和穩態精度，PID控制器各校正環節的功能如下：1.比例鏈接用于加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。它越大，系統的響應速度越快，系統的調節精度越高，但容易產生超調，甚至導致系統的不穩定。如果該值過小，調節精度將降低，響應速度將變慢，從而延長調節時間并惡化系統的靜態和動態特性。2.集成鏈接主要用于消除系統的穩態誤差。它越小，系統的靜態誤差消除得越快。然而，如果它太小，積分飽和將發生在響應過程的初始階段，這將導致響應過程的大的過沖。如