單容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、單容水箱液位控制系統(tǒng)辨識一'單容水箱液位控制系統(tǒng)原理單容水箱液位控制系統(tǒng)是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，它的控制任務(wù)是使水箱液位等于給定值所要求的高度；并減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。單回 路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、投資省' 操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過 程控制中得到廣泛地應(yīng)用。圖為單容水箱液位控制系統(tǒng)方塊圖。當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很 大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合 適，則會導(dǎo)致控制質(zhì)量變壞，甚至?xí)瓜到y(tǒng)不能正常工作。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)組成 以后，如何整定好控制

2、器的參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問題。一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系 統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。圖1-2是單容液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電帖泵2GK-0710/7上水箱T變頻劉円電機(jī)卜tT鬲一7 IS GK-07圖i-i單容水箱液位控制系統(tǒng)的方塊圖系統(tǒng)由原來的手動操作切換到自動操作時(shí)，必須為無擾動，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能及時(shí)地跟蹤手動的輸出值，并且在切換時(shí)應(yīng)使測量值與給定值無偏差存 在。圖1-2是單容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一般言之，具有比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個(gè)有差系統(tǒng)，比例度5的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，

3、而且只要參數(shù)5,選擇合理,也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。圖1-2單容液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖比例積分微分（）調(diào)節(jié)器是在調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。在 單位階躍作用下,P、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖3中的曲線、所示圖1-3 P和調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線二、單容水箱液位控制系統(tǒng)建模2. 1液位控制的實(shí)現(xiàn)液位控制的實(shí)現(xiàn)除模擬調(diào)節(jié)器外，可以采用計(jì)算機(jī)算法控制。首先由差壓傳感器檢 測出水箱水位；水位實(shí)際值通過單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計(jì)算機(jī)中；最 后，在計(jì)算機(jī)中，根據(jù)水位給定值與實(shí)際輸出值之差，利用程序算法得到輸出值，再將輸 出值

4、傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，由單片機(jī)的輸出模擬 信號控制交流變頻器，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水位的計(jì)算機(jī)自 動控制。2.2被控對象本文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(shù)，需要知道被控對象一上水箱的結(jié)構(gòu)和特性。由圖2T所示可以表示出單容水箱的流量特性:V水箱的出水量與水壓有關(guān)，而水壓又與水位高度近乎成正比。這樣，當(dāng)水箱水位升高時(shí)，其出水量也在不斷增大。所以，若閥匕開度適當(dāng)，在不溢出的情況下，當(dāng)水箱的進(jìn)水量恒定不變時(shí)，水位的上升速度將逐漸變慢，最 終達(dá)到平衡。由此可見，單容水箱系統(tǒng)是一個(gè)自衡系統(tǒng)。2. 3水箱建模這里研究的

5、被控對象只有一個(gè)，那就是單容水箱（圖2T ） o要對該對象進(jìn)行較好的計(jì)算機(jī)控制，有必要建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。正如前面提到的，單容水箱是一個(gè) 自衡系統(tǒng)。根據(jù)它的這一特性，我們可以用階躍響應(yīng)測試法 進(jìn)行建模。如圖2-仁設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q出水量為Q,水箱的液面高度為h,出水閥強(qiáng)固定于某 一開度值。若Q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(shù)學(xué)模型就 是h與Q之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有QaQ2 =C-dh( 2-1)將式(2-1 )表示為增量形式:q- Q 二 C 吐(2-2)dt式中，g、g、丄h分別為偏離某一平衡狀態(tài)Qi。、Ch。、h。的增量；C 水箱底面積。在靜態(tài)

6、時(shí)，Qi二Ch； dh dt=O;當(dāng)Q發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，閥1/處 的靜壓也隨 之變化，Q2也必然發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為 非線性關(guān)系。但為簡化起見，經(jīng)線性化處理，則可 近似認(rèn)為Q與5成正比，而與閥1/的 阻力甩成反比'即(2-3)(2-4)g二少或R2 hR2Q2式中，甩為閥V2的阻力，稱為液阻。將式(2-3)代入式(2-2)可得R2C 業(yè)：h = R2Qdt在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：G0(s)=曲二Qi(s) R2CS 1 Ts 1(2-5)式中，丈為水箱的時(shí)間常數(shù)（注意：閥也的開度大小會影響到水箱的時(shí)間常數(shù)），2為過程的放

7、大倍數(shù)。令輸入流量Q（s）二R°/s, R。為常量，則輸出液位的 高度為:旳斶 KR o0-*sfTs+1) s s + 1 /T(2-6)丄th(t) =KR<1_eT)(2-7)h(: : )=KRo因而有h（。）輸出穩(wěn)態(tài)值K 二D F7AQ工山、(2-8)當(dāng)時(shí)，則有圖2-2階躍響應(yīng)曲線是時(shí)間常數(shù)To三、液位控制系統(tǒng)中的控制數(shù)字控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。主要介紹了控制的基本原理，液 位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字控制算法及其具體應(yīng)用3.1控制原理一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是控制。常規(guī)控制系統(tǒng)原理框

8、圖如圖3T所示。系統(tǒng)由模擬控制器和被控對象組成。r(t)+圖3-1模擬控制系統(tǒng)原理框圖控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r (t)與實(shí)際輸出值c (t)構(gòu)成 控制偏差e(t) =r(t) -c(t)(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(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱控制器。它的控制規(guī)律為u(t)=/L； e(t) +* fOe(t)dATDde(t)A-11(3 - 2)dt寫成傳遞函數(shù)形式為(3-3)g(s)=ES=KE呻TiS式中KP比例系數(shù)；T> 積分時(shí)間常數(shù)；Td微分時(shí)間常數(shù)；從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1、比例環(huán)節(jié)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。Kp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，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Kp取值過小，則 會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。2、積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。了越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響 應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引