过程控制三容水箱控制系统

JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

电气信息工程学院

过程控制系统与仪表

设计课题： 三容水箱控制系统 学院名称： 电 信 学 院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 08电气2 姓 名： 韩 韬 学 号 ： 08312218 指导老师： 汪小锋

2011年11月

基于PID的三容水箱液位控制系统研究

【摘要】用MATLAB/Simulink建立了液位控制系统，其主调节器分别采用PID

控制，模糊控制,副调节器采用比例控制。针对液位控制系统，用S函数编写PID控制程序，并分析了Kp、Ki、Kd对系统的影响。在模糊控制系统中选取合适的隶属度函数和制定出模糊控制规则，用S函数编写了模糊控制程序，并分析了误差的量化因子、误差变化率的量化因子、控制量的增量的比例因子对系统性能的影响。并通过编写基于MATLAB的S函数，运用动画仿真技术对三容水箱系统的运行过程进行了更为直观、逼真的模拟。在MATLAB仿真环境下设计M文件，实现了友好的用户界面，使得在系统仿真过程中能够方便的选择控制方法和观察结果。

【关键字】三容水箱液位控制系统 PID控制

一 三容水箱控制系统

液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业中的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对控制对象进行液位控制，使液位高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。

在本文中，以液位控制系统的水箱为仿真研究对象，水箱的液位为被控制量。本文主要研究基于matlab，S函数的模糊控制和PID控制的仿真。论述了模糊控制器，PID控制器的设计和S函数的编程方法。本文所设计出的模糊控制器和PID控制器用在液位控制系统中，当液位控制系统的给定参数变化时，系统能具有良好的控制效果。

三容水箱液位控制系统是一个过程计算机控制系统，它的系统结构框图如图1所示。整个系统的控制均由计算机实现，计算机通过数据采集卡设定液位高度，控制量经D／A转换输出到调节器，控制量利片3调节器输出给执行装置电磁阀。在这里我们利用了调节器的输出跟踪功能，控制规律在采集卡实现。电磁阀通过接收到的信号直接对水箱进行控制。三容水箱相邻的两个水箱之间有连通阀可以调节。每个水箱都有一个进水阀，调节进水阀的开度就可以改变液位的高度。进水阀开度的变化，可以看作是扰动。液位的变化通过传感器传给数据采集卡，数据采集卡把信息传送给计算机，构成一个闭环系统。数据采集卡采用的是PCI一9118DG，[2]PCI一9118系列是一族功能强大的高速多功能PCI总线数据采集卡。它不仅可以采集数据而且还可以输出数据。

图1 三容水箱系统结构框图

三容水箱实验系统的控制结构如图2-9所示，其组成的各个部分简单介绍如下：

(1)控制器，由计算机软件实现，主要实现各种控制算法，如增量式PID控制算法、模糊PID控制算法等；

(2)执行机构，包括水泵、比例电磁流量阀及其控制器、溢流阀等。比例电磁阀负责向实验台的玻璃容器注水，通过控制比例阀的输入电压可改变其出口流量，进而达到控制容器内液位高度的目的；溢流阀起到保证整个系统压力恒定作用。

(3)被控对象为三容水箱，被控量为三个圆柱型玻璃容器内的液位高度hl、h2、h3。

(4)测量元件，为三个应变式压力传感器，用来测量各容器内的液位高度值。 (5)A／D、D／A接口，通过数据采集卡的A／D转换功能将把传感器采集的模拟电压信号转换成计算机可识别的数字信号，同时通过此数据采集卡的D／A转换功能，将设定的数字电压信号转换成相应的模拟电压信传送给比例电磁阀，从而调节进水流量，执行各种控制算法。

三容水箱实验系统的控制结构图

控制系统以上、中、下三只水箱串联作被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。由第二章双容特性测试实验可知，三容对象是一个三阶环节，它可用三个惯性环节来描述。本实验要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节

器控制气动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。

三容液位定值控制系统 (a)结构图 (b)方框图

二 PID控制

1 PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P）控制

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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制

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，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积

分项会增大。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。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D）控制

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组件（环节）或有滞后(delay)组件，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。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2 增量式PID控制原理

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，目前在工业过程控制中，它的利用率非常高。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为

u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t 因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s] 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数

常规PID控制系统原理如图所示，在计算机控制中，较为常用的PID控制算法主要有位置式PID控制算法和增量式PID控制算法等，由于后者计算量少，仅需要在k时刻、k．1时刻及k．2时刻的偏差值，所以本文选用增量式PID控制算法。

常规PID控制系统原理图

所谓增量型PID是指数字控制器的输出是控制器的增量Au(k)。PID控制器是线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差

将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为

传递函数为

式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；Ki=Kp／Ti为积分系数，Kd=Kp*Td为微分系数。

增量式PID控制系统的框图如图所示，图中所示系统是典型的单位负反馈控制系统。其中，PID控制算法即为增量式PID控制算法，主要由计算机编程实现，控制器的输出电压经采集卡的D／A转换后，传递给实验台的执行机构，控制液位高度的变化。

PID控制系统框图

三 仿真研究

系统仿真技术是以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对真实的或设想的系统进行动态试验研究的一门多学科的综合性技术.仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识，是学科交叉发展的结果.仿真就是采用模型来再现真实情况，是加速产品开发周期并在最终系统中提高产品质量的重要手段。模型是系统、过程或现象的物理的或其他逻辑的表达。仿真系统包含了一个或多个动态系统的数学模型，以及这些系统与其相关环境间相互作用的数学模型。运行中，仿真系统随时间向前运行，并对所有模型在同一时间点上求解。描述复杂系统行为的方程可能比较复杂，因此仿真系统中使用的方法是以可接受的精度对这些方程进行求解的唯一途径.系统仿真就是模拟整个系统在真实的仿真环境中运行时的行为。

在MATLAB环境中，利用M语言编写控制程序。理想液位值rin=270mm，采样周期0．3s，根据前面已确定的增量式PID控制器的参数即Kp=237．209，

Ki=17．791，Kd=790．698运行控制程序后，得到如图所示的控制曲线。

控制曲线

建立了被控对象仿真模型后，就可以对其实施各种控制策略。变参数PID 控仿真系统结构及PID 控制器子系统

变参数PID 控制仿真结构图

应用增量式PID控制算法后，得到如下图所示的实际试验曲线。

实际试验曲线

在Matlab/Simulink 环境下建立三容水箱控制的仿真模型，采用变参数PID 和基于T-S 模型的模糊PID 两种控制进行仿真研究。仿真结果表明，本文所研的算法是正确的和有效的，基于T-S 模型的模糊PID 控制算法在控制性能和控制量上较变参数PID 控制算法有所改善。

参考文献：

1 翟玉人．模糊控制算法的实现及应用[J]．沈阳师范学院学报，2002，20(3>：194—195． 2 周宝林，朱建跃，等．过程控制系统中PID控制器参数优化研究[J]．能源技术，2001，22(5)：194—197．

3 陶永华．新型PID控制极其应用[M]．北京：机械工业出版社，2002．引证 4 张永浩．模糊PIE)自整定控制器的仿真研究EJ]．船海工程，2005(5)：1-4． 5 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真[M]．2版．北京：电子工业出版社，2004．

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ab3o.html