二阶水箱液位PID控制系统设计wudi.docx

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二阶水箱液位PID控制系统设计wudi

河南机电高等专科学校

课程设计论文

论文题目:

二阶水箱液位PID控制系统设计

系部自动控制系

专业计算机控制技术

班级计控091

学生姓名

学号xxxxxxxxxx

成绩

2011年12月13日

1。

1方案设计…………………………………………………………………2

1.2控制系统性能指标………………………………………………………2

2.1信号采集…………………………………………………………………4

2。

3计算机控制系统硬件电路……………………………………………5

2.4模拟输出通道……………………………………………………………5

3。

3MATLAB系统分析………………………………………………………8

3。

4采用PID对控制系统进行改进……………………………………10

3.5结果分析…………………………………………………………………11

1设计任务

1．1方案设计；

设计建立的串级控制系统由主副两个控制回路组成,每一个回路又有自己的调节器和控制对象。

主回路中的调节器称主调节器，控制主对象。

副回路中的调节器称副调节器，控制副对象。

主调节器有自己独立的设定值R，他的输出m1作为副调节器的给定值,副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数c2。

通过针对双容水箱液位被控过程设计串级控制系统，将努力使系统的输出响应在稳态时系统的被控制量等于给定值，实现无差调节，并且使系统具有良好的动态性能,较块的响应速度。

当有扰动f1（t）作用于副对象时，副调节器能在扰动影响主控参数之前动作，及时克服进入副回路的各种二次扰动，当扰动f2（t）作用于主对象时,由于副回路的存在也应使系统的响应加快，使主回路控制作用加强.

（1）被控参数的选择；

应选择被控过程中能直接反映生产过程能够中的产品产量和质量，又易于测量的参数。

在双容水箱控制系统中选择下水箱的液位为系统被控参数,因为下水箱的液位是整个控制作用的关键，要求液位维持在某给定值上下.如果其调节欠妥当，会造成整个系统控制设计的失败,且现在对于液位的测量有成熟的技术和

图1。

1.1串级控制系统框图

设备，包括直读式液位计、浮力式液位计、静压式液位计、电磁式液位计、超声波式液位计等。

（2）控制参数的选择；

从双容水箱系统来看，影响液位有两个量,一是通过上水箱流入系统的流量，二是经下水箱流出系统的流量。

调节这两个流量都可以改变液位的高低。

但当电动调节阀突然断电关断时，后一种控制方式会造成长流水,导致水箱中水过多溢出,造成浪费或事故。

所以选择流入系统的流量作为控制参数更合理一些。

（3）主副回路设计；

为了实现液位串级控制，使用双闭环结构。

副回路应对于包含在其内的二次扰动以及非线性参数、较大负荷变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力.主副回路时间常数之比应在3到10之间，以使副回路既能反应灵敏，又能显著改善过程特性.下水箱容量滞后与上水箱相比较大，而且控制下水箱液位是系统设计的核心问题，所以选择主对象为下水箱,副对象为上水箱，。

（4）控制器的选择；

根据双容水箱液位系统的过程特性和数学模型选择控制器的控制规律.为了实现液位串级控制,使用双闭环结构，主调节器选择比例积分微分控制规律（PID），对下水箱液位进行调节，副调节器选择比例控制率（P），对上水箱液位进行调节，并辅助主调节器对于系统进行控制,整个回路构成双环负反馈系统。

1．2控制系统性能指标；

（1）静态偏差：

系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差.

（2）衰减率：

闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数.为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在0。

75—0。

9。

（3）超调量:

输出响应中过渡过程开始后，被控参数第一个波峰值与稳态值之差，占稳态值的百分比，用于衡量控制系统动态过程的准确性。

（4）调节时间：

从过渡过程开始到被控参数进入稳态值-5％—+5％范围所需的时间

2系统硬件设计

2．1信号采集；

为了实现计算机控制，需要对输入的模拟信号进行采样，转换为计算机可以利用的数字信号。

应从技术和经济的角度综合考虑信号采集速度和信号数字化精度这两个问题。

根据香农采样定理：

对于一个具有有限频谱的连续信号进行采样,采样频率必须大于或等于信号所含最高频率的两倍，信号采样所得的数值才可以完全复现原来的信号。

需要依据液位对象的特性﹑加入对象的扰动大小和频率和系统性能指标要求综合选择适当采样周期。

2．2模拟量输入通道；

在计算机控制系统中，模拟量输入通道一般包括了I/V变换电路﹑多路转换器﹑采样保持器﹑A/D转换器﹑接口﹑控制逻辑。

模拟量输入通道的任务是把通过压力变送器检测到的模拟信号（4~20标准电流信号），经过I/V变换转换成对应的1～5电压信号，在经过采样为离散的模拟信号并量化成为二进制的数字信号，经接口送到计算机中.

在远程数据采集过程控制系统，将使用ICP—7017数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。

7017A/D转换模块：

数据采集程序存储在EEPROM中，由内部控制器控制逻辑执行，控制转换开关在8路模拟信号间转换,模拟量送入A/D通道后，转换为数字信号并将其与模拟量输入通道号对应，等待计算机查询，数据通过RS-485接口传送至计算机。

图2.2。

17017A/D模块图图2。

2.27024D/A模块图

7017A/D转换模块技术指标:

模拟输入类型:

mV,V，mA.采样率：

10次/s带宽:

15.7Hz准确率:

±0.1%零点漂移:

20μV/℃波特率：

9600bps量程：

—10V～10V–5V~5V—1～1V–500mV～500mV

—150mV～150mV—20mA～20mA对应8000～7FFF电源输入：

10～30VDC电源功耗：

1。

3W。

2。

3计算机控制系统硬件电路；

图2。

3.1采集模块电路原理图

2．4模拟量输出通道;

在计算机控制系统中，模拟量输出通道一般包括接口电路﹑D/A转换器﹑V/I变换等。

模拟量输出通道的任务是将计算机输出的数字量转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构（电动调节阀）.

在远程数据采集过程控制系统，将使用ICP—7024数据采集模块实现模拟量输入通道的功能。

7024D/A转换模块:

数据采集程序存储在EEPROM中，计算机将数据通过RS-485接口送给7024D/A转换模块，由内部控制器按控制程序将数据送入对应DAC通道，转换为模拟电压/电流输出.

7024D/A转换模块技术指标：

模拟量输出类型：

V,mA.带宽：

15.7Hz准确率：

±0.1％波特率:

9600bps零点漂移:

±30μV/℃±20μA/℃量程：

0～20mA4mA～20mA0V～10V-10V～10V0V～5V-5V～5V电源输入：

10～30VDC电源功耗:

2。

3W

3系统软件设计

3。

1建立水箱模型；

在控制系统设计工作中，需要针对被控过程中的合适对象建立数学模型。

被控对象的数学模型是设计过程控制系统、确定控制方案、分析质量指标、整定调节器参数等的重要依据。

被控对象的数学模型（动态特性）是指过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。

图3.1。

1液位被控过程简明原理图

在液位串级控制系统中，我们所关心的是如何控制好水箱的液位.上水箱和下水箱是系统的被控对象,必须通过测定和计算他们模型，来分析系统的稳态性能、动态特性，为其他的设计工作提供依据。

上水箱和下水箱为THJ-2高级过程控制实验装置中上下两个串接的有机玻璃圆筒形水箱，另有不锈钢储水箱负责供水与储水。

上水箱尺寸为：

d=25cm，h=20cm;下水箱尺寸为：

d=35cm,h=20cm,每个水箱分为三个槽:

缓冲槽、工作槽、出水槽。

系统中上水箱和下水箱液位变化过程各是一个具有自衡能力的单容过程.

如图,水箱的流入量为Q1，流出量为Q2，通过改变阀1的开度改变Q1值，改变阀2的开度可以改变Q2值。

液位h越高,水箱内的静压力增大,Q2也越大。

液位h的变化反映了Q1和Q2不等而导致水箱蓄水或泻水的过程。

若Q1作为被控过程的输入量，h为其输出量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式.

根据动态物料平衡，Q1—Q2=A（dh/dt）；△Q1—△Q2=A（d△h/dt）

在静态时,Q1=Q2，dh/dt=0;当Q1发生变化后，液位h随之变化,水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。

由流体力学可知，液位h与流量之间为线性关系。

但为了简便起见，做线性化处理得Q2=△h/R2,经拉氏变换得单容液位过程的传递函数为W0（s）=H（s）/Q1（s）=R2/（R2Cs+1）=K/（Ts+1）

（注:

△Q1﹑△Q2﹑△h:

分别为偏离某一个平衡状态Q10﹑Q20﹑h0的增量。

R2：

阀2的阻力A：

水箱截面积T:

液位过程的时间常数（T=R2C）K:

液位过程的放大系数（K=R2）C:

液位过程容量系数）

3.2阶跃响应建立模型;

在本设计中将通过实验建模的方法,分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。

通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号,记录阶跃响应曲线。

在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号:

（1）通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。

（2）通过在MCGS监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小,从而改变水箱液位,实现对被控对象的阶跃信号输入。

图3。

2。

1水箱模型测定原理图

3.3MATLAB软件系统分析；

1．上水箱阶跃响应参数测定;

按图连接实验线路,手动操作调节器,控制调节阀开度,使初始开度OP1=50,等到水箱的液位处于平衡位置时。

改变调节阀开度至OP2=60，即对上水箱输入阶跃信号，使其液位离开原平衡状态。

经过一定调节时间后，水箱液位重新进入平衡状态。

图3。

3.1上水箱阶跃响应曲线

记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）：

表3-3-1上水箱阶跃响应数据

1

23。

62

7

44。

77

13

47.76

19

47.64

2

30.50

8

45.56

14

47.87

20

47。

09

3

35。

25

9

46。

17

15

47.89

21

46.52

4

38.69

10

47.06

16

47。

28

22

46。

41

5

41。

32

11

47.25

17

47。

01

23

46.28

6

43.31

12

47.46

18

47.15

24

45。

90

2．下水箱阶跃响应参数测定；

按图连接实验线路,手动操作调节器，控制调节阀开度，使初始开度OP1=40，等到水箱的液位处于平衡位置时.改变调节阀开度至OP2=50,即对上水箱输入阶跃信号，使其液位离开原平衡状态。

经过一定调节时间后，水箱液位重新进入平衡状态。

图3.3.2下水箱阶跃响应曲线

记录阶跃响应参数（间隔30s采集数据）:

表3—3-2下水箱阶跃响应数据

1

54.02

13

84。

61

25

98。

45

37

103.93

49

107。

20

2

57。

19

14

86。

34

26

99。

19

38

104.39

50

107。

28

3

60。

28

15

87。

71

27

99.83

39

104.84

51

107。

32

4

63.53

16

89.18

28

100。

43

40

105。

06

52

107.38

5

66.56

17

90.44

29

101.01

41

105。

53

53

107.56

6

69。

52

18

91.76

30

101.42

42

105.80

54

107.66

7

72.26

19

93.04

31

101.81

43

106。

08

55

107.82

8

74。

79

20

94。

11

32

102。

26

44

106.33

56

107。

67

9

77。

00

21

95.18

33

102。

79

45

106.41

57

107.55

10

79.07

22

96.04

34

103.19

46

106。

61

58

107。

39

11

80.87

23

96。

96

35

103。

36

47

106.65

59

107。

25

12

82。

88

24

97。

49

36

103。

65

48

106.94

60

107。

10

由于实验测定数据可能存在误差，直接使用计算法求解水箱模型会使误差增大。

所以

使用MATLAB软件对实验数据进行处理，根据最小二乘法原理和实验数据对响应曲线进行最佳拟合后，再计算水箱模型.

两组实验数据中将阶跃响应初始点的值作为Y轴坐标零点,后面的数据依次减去初始值处理，作为Y轴上的各阶跃响应数据点；将对应Y轴上阶跃响应数据点的采集时间作为曲线上各X点的值。

根据曲线采用切线作图法计算下水箱特性参数，当阶跃响应曲线在输入量x（t）产生

阶跃的瞬间,即t=0时,其曲线斜率为最大，然后逐渐上升到稳态值，该响应曲线可用一阶惯性环节近似描述，需确定K和T.而斜率K为P（t）在t=0的导数P`（0）=0。

12175,以此做切线交稳态值于A点，A点映射在t轴上的B点的值为T。

阶跃响应扰动值为10,静态放大系数为阶跃响应曲线的稳态值

与阶越扰动值

之比

，所以下水箱传递函数为

。

在实验建模的过程中，实验测取的被控对象为广义的被控对象，其动态特性包括了调节阀和测量变送器，即广义被控对象的传递函数为

为调节阀的传递函数，Gm（s）为测量变送器的传递函数。

3.4采用PID对控制系统进行改进；

PID控制器各控制规律的作用如下：

（1）比例控制（P）：

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动,使系统稳定下来。

但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差

（2）积分控制（I）：

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系.对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。

为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。

积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。

这样，即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零.但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。

比例+积分（PI）控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

（3）微分控制（D）：

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

（4）PID控制原理图；

图3。

4.1PID控制基本原理图

PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r（t）与实际值y（t）构成控制偏差：

。

PID控制规律为：

或以传递函数形式表示:

式中，KP:

比例系数TI:

积分时间常数TD:

微分时间常数

3.5结果分析;

结果分析：

计算机系统中的控制器工作方式为正作用，输入增大时，输出趋向越大。

位置式PID算法，通过测量位置信号的采样反馈，与给定值相比较,调节偏差。

根据PID控制的特性再调节参数,使系统达到较满意的状态。

加阶跃信号后观察系统的动态性能，由曲线和响应数据得延迟时间Td=90s,峰值时间Tp=170s，调节时间Ts=700s,超调量为19％（最大峰值85.7mm）,，衰减比3：

1.通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使上升速度加快，曲线变陡,造成调节阀动作幅度的加大,引起被调量的来回波动.因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度,使得超调量加大，但对消除余差有较好效果.加入适当的微分作用,可以使系统超调减小，但加入过大微分作用,会造成整个系统的不稳定，陷入振荡中。

在计算机中改变PID参数后，调节阀不能很快动作，特别是在上升到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在上升会造成超调增大.且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。

4设计总结

通过本次课程设计，我将书本上学过的知识（计算机控制技术、自动控制原理、过程控制原理等）应用于实际控制系统的组建之中，在实验室中完成了仪表过程控制系统和计算机过程控制系统的组建,实现了对双容水箱液位的串级控制。

在实际的工程实践中，我受益非浅,学习到了许多新的知识，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对自动控制的理解上升到一个新的台阶。

在设计中使用了MATLAB软件,利用这个软件可以对控制系统进行分析和建模。

特别是利用SIMULINK工具箱可以便捷地对不同的控制系统进行仿真，通过对PID控制的仿真,可以清楚的比较不同控制方案的优劣,对在设计控制系统可能出现的问题在计算机中进行模拟，使对系统的设计方案更加明确。

在实际控制系统的组建中,控制方案的设计是系统设计的核心，一个好的设计方案能够使系统的设计事半功倍，应当根据被控过程的特性和工程要求综合设计系统。

对于设计的两种控制系统，可以做进一步的改进。

在实际的工作岗位上，将要设计不同的控制系统，工业现场的过程控制系统不同于实验室中的控制系统的设计,更不同于书本中的理论和公式，要根据工业生产的实际情况进行设计，将面临远比实验室复杂的多的现场环境，设计系统未必是最先进的、最现代化，但必须是有效、可行、可靠。

参考文献

[1]朱玉玺崔如春邝晓春《计算机控制技术》电子工业出版社2010.10

[2]胡寿松《自动控制原理》科学出版社2001.2

［3］邵裕森《过程控制工程》机械工业出版社2004.1

[4]于海生《微型计算机控制技术》清华大学出版社2004.1

［5］郑阿奇《MATLAB实用教程》电子工业出版社2005。

1

[6］刘金琨《先进PID控制及MALAB仿真》电子工业出版社2004.9

［7］清源工作室《Protel99SE原理图与PCB及仿真》机械工业出版社2005.3

[8]陈桂明《应用MATLAB建模与仿真》科学出版社2001