三水箱的液位控制.docx

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三水箱的液位控制

基于PID的三容水箱的液位控制系统设计

王琪

（江苏技术师范学院电气信息工程学院08电气208312206）

[摘要]：

以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统称为过程控制系统。

这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。

表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。

【1】

[关键词]：

表征过程参量被控量

Intheproductionprocessofcharacterizationparameterforcontroloftheamountisclosetoagivenvalueorkeepinagivenrangeofautomaticcontrolsystemiscalledprocesscontrolsystem.Herethe"process"isreferstothedeviceorequipmentintheproductionofmaterialandenergyinteractionandconversionprocess.Characterizationofthemainparametersoftheprocesstemperature,pressure,andflow,liquidlevel,composition,concentration,etc.

[keywords]CharacterizationprocessparameterControlledvariable

中图分类号:

Tk323　　　　　文献标识码:

A　　　　　　　

引言：

串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的。

当被控过程滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求，在这种情况下可考虑串级控制系统。

【2】

一．设计要求

（1）下水箱液位定值，就是可以设定的值

（2）上水箱，中水箱液位稳定。

二．设计方案：

三容水箱液位的控制，为了选取最好的方案，我做了以下几个方案的设计

1，单闭环控制系统

单闭环控制系统的框图

单闭环控制系统是简单的控制系统，对于单容水箱的液位稳定有着一定的控制作用，但对于多容水箱，一旦某水箱出现扰动，如上水箱中水箱，下水箱不会立即变化，及不能迅速检测到上中水箱的扰动并加以调节，这样引起了滞后，系统难以的达到稳定。

2，三闭环控制系统

三闭环控制系统框图

上图是三闭环控制系统的框图，它很显然属于串级控制系统，但与典型的串级控制系统不同的是，他有三个调节器，暂且不论两副调节器是比例控制还是PID控制，其主环回路采用PID控制,起着细调的作用，而两个副调节器起着粗调的作用。

主调节器有着自己的设定值，它与下水箱的压力变送器反馈对比，实现下水箱的主控，及对下水箱液位的设定。

主调节器的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出作为副调节器2的设定值，副调节器二直接控制电磁调节阀。

与第一套方案相比，当在某水箱上有扰动的时候，在其外环反馈后会有迅速的动作解决扰动问题。

这样也会较有效的缓解和解决滞后较大的问题。

3，对下中水箱采用典型的串级控制系统，上水箱作为扰动作用在中水箱上。

其框图如下：

如框图所示，将上水箱单闭环控制系统去掉后是一个典型的串级控制系统，我们都知道串级控制的优点【3】：

（1）将干扰加到副回路中，由副回路控制对其抑制；

（2）副回路中参数的变化，由副回路给予控制，这样对被控量（下水箱液位）的影响大为减弱；

（3）副回路的惯性由副回路给予调节因而提高了整个系统的响应速度。

而对于上水箱，采用单闭环控制系统，单闭环控制系统能够有效的解决单容水箱的液位控制问题，其稳定的输出作为加在中水箱上的扰动，而串级控制系统又恰好能克服这一扰动，从而实现中上水箱的稳定，以及下水箱液位的定值。

三、硬件设备的组成

采用浙江天煌过程控制实验装置（见附录）

1、水箱

包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

2、管道及阀门

整个系统管道由不锈钢管连接而成，手动阀门

3、压力传感器（液位传感器）

三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测。

4、电动调节阀

精确度高精确到0.0001使用和校正非常方便。

5、磁力驱动泵

四．硬件系统的设计及仿真

1.若采用单闭环控制系统，其硬件系统的组成如图：

左图，单闭环控制系统的硬件连接图，上水箱进水阀门打开，中水箱下水箱，进水阀门关闭，水箱下部出水阀门适当打开，保证磁力泵进水通路。

（F1-1，F1-2，F1-6,F1-9，F1-10，F1-11阀门打开，其它阀门都关闭。

具体阀门位置见附录）

若我们设两个副对象，及上水箱和中水箱的对象特性为：

G=1/T1S+1

主对象特性为：

G=1/T2S+1

T1=T2=10,则单闭环控制系统的simulink仿真如下：

单闭环控制simulink仿真程序

调节器采用PI调节，Kp取50，Ki取5.未加干扰信号。

给该系统一个阶跃输入，仿真时间50秒，结果得到的输出波形如下：

单闭环控制simulink仿真结果

由上图可知仿真输出波动动很大，而且在长达40s的仿真时间内三个水箱都未达到稳定，而且波动有加大的趋势，在未加扰动的情形下，系统都无法达到稳定。

所以此方案不可取。

2.若采用三闭环控制系统

三闭环控制系统的硬件连接图。

如下图。

上水箱进水阀门打开，中水箱下水箱，进水阀门关闭，水箱下部出水阀门适当打开，保证磁力泵进水通路。

（F1-1，F1-2，F1-6,F1-9，F1-10，F1-11阀门打开，其它阀门都关闭。

具体阀门位置见附录）

三闭环控制系统硬件连接图

若我们设两个副对象，及上水箱和中水箱的对象特性为：

G=1/T1S+1,

主对象特性为：

G=1/T2S+1

又设T1=T2=10,则三闭环控制系统的SIMULINK仿真如下：

三闭环控制simulink仿真程序

主调节器采用PI调节Kp取50，Ki取5.副调节器采用比例控制Kp取200,Ki取1，副调节器2也采用比例控制Kp取100.step为单位阶跃输入作为设定值，uniformrandomnumber随机输入作为扰动源，加在上水箱上（这里中水箱的扰动下水箱的扰动与之原理相同，不予讨论）。

初始时输入设定为0。

也是就是在无扰动的情况下，仿真时间10秒，simulink仿真示波器输出各对象的响应曲线如下：

三闭环控制，无扰动时Simulink仿真结果

由上图很明显可以看出，三闭环控制系统对的输入阶跃的响应时间还是很快的，在大约5秒钟的时候三个水箱都能达到稳定，下水箱的输出波动图像是典型的PID阶跃响应曲线，中水箱下水箱在4秒钟的波动之后会与主控水箱一起趋于稳定。

上述是在无扰动的情形下，如果给上水箱加一个的扰动振幅为1的正弦扰动信号，则系统的输出波形如下：

三闭环控制，有扰动时Simulink仿真结果

很显然，该三闭环控制系统对水箱上的扰动有抑制作用。

在存在扰动的情况下仍然可以迅速的实现三个水箱的稳定，与下水箱的定值，由于实际的对象不可能都是一样的，所以这里只是一种理想的模拟假设，实际控制中只能实现下水箱的定制和上面两个水箱的稳定。

可以说，此方案是可行的。

3.若采用典型的串级控制系统，上水箱做为扰动，则硬件连接图如下：

左图，带扰动的典型串级控制系统的硬件连接图，上水箱，中水箱进水阀门打开，下水箱，进水阀门关闭，水箱下部出水阀门适当打开，保证磁力泵进水通路。

（F1-1，F1-2，F1-6，F1-7,F1-9，F1-10，F1-11阀门打开，其它阀门都关闭。

具体阀门位置见附录）

若我们设两个副对象，及上水箱和中水箱的对象特性为:

G=1/T1S+1

主对象特性为:

G=1/T2S+1

T1=T2=10,则该系统的simulink仿真程序如下：

串级控制系统的主调节器采用PI调节器调节，Kp取50，Ki取5.副调节器采用比例控制Kp取200，而上水箱的闭环控制系统采用pi调节器调节，Kp取50，Ki取5。

串级控制主回路设定为2的阶跃输入，而上水箱设定为单位阶跃输入，阶跃开始时间为1秒。

这里上水箱作为扰动作用在中水箱上，经simulink仿真示波器输出波形如下：

下中水箱串级控制控制，上水箱输出做扰动的Simulink仿真结果

很显然，仿真波形上可以看出，上水箱，下水箱的阶跃响应输出无超调，且响应时间很快，在大约2秒钟的时候下水箱和中水箱的输出阶跃响应曲线都可达到稳定为设定值2，而上水箱的阶跃响应曲线达到1，这样就实现了设计要求。

下面看一下如果在本系统加一个随机的扰动。

系统的稳定性能如何。

若在下水箱上加一个范围-1~1随机扰动，则其simulink仿真程序修改为：

仿真时间设置为10秒，其它相关的参数以及仿真的连接图不变，启动仿真，则可得如下的仿真结果：

从仿真结果可以看出该扰动只引起中水箱短暂的微弱的波动，下水箱仍然能稳定的达到设定值，且上水箱中水箱输出稳定。

由于下水箱无超调，ts更小，系统稳定性较之强单闭环控制系统，与三闭环控制系统，有更快的响应时间，更优越的稳定性。

当然实际应用中要考虑经济成本，以及应用场合对于响应时间的要求。

虽然采用第三个方案在仿真上显得更好，但由于其采用两个PID控制器，一个比例控制器，线路图更为复杂，实际应用上成本高于三闭环环控制。

所以应按照实际情况合理的选择这两套方案。

本次设计主要是运用MATLABSIMULINK软件对三套方案进行仿真，对于参数校正由于对象的不确定，没有能运用整套实验装置进行仿真，所以参数的校正方面不好给出具体的方法步骤。

通过本此设计与仿真，对于过程控制系统的控制仪表的基本控制规律及其特点有了更深一步的认识，特别是对于复杂控制系统如串级控制系统的基本原理与工作原理，及其特点有了较好的掌握。

最后感谢汪老师在我的大学生涯的尾声给予我的教诲，不管是在控制理论上，还是在实验上。

注释:

【1】XX百科——过程控制系统.

【2】过程控制系统与仪表P208,串级控制系统

【3】先进PID控制与MATLAB仿真P71,串级控制的主要优点

参考文献：

[1]李国勇.过程控制实验教程[M].北京：

清华大学出版社,2011.1

[2]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真（第2版）[M].北京：

电子工业出版社,2004.9

[3]王再英，陈准霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京：

机械工业出版社,2011.7