PDF《基于 PID 算法液位控制系统的设计》

基于 PID 算法液位控制系统的设计 * 董学勤,叶高奇 ( 商丘职业技术学院 机电工程系, 河南 商丘 476000) 摘要: 液位控制是工业生产乃至日常生活中常见的控制, 比如锅炉液位, 水箱液位等.

针对水箱液位控制系统, 建立 水箱模型并设计 PID 控制规律, 利用 Matlab 仿真, 整定 PID 参数, 得出仿真曲线, 得到整定参数, 控制效果很 好, 实现了水箱液位的控制. 关键词: 液位控制;

PID 算法;

整定;

Matlab 中图分类号: TH12 文献标识码: A 文章编号:

1007 - 4414( 2012)

03 -

0183 -

04 Design of the liquid level control system based on PID algorithm Dong Xue - qin, Ye Gao - qi ( Mechanical and electronic engineering department,Shangqiu polytechnic,Shangqiu Shandong

476000 China) Abstract: The liquid level control is common control in industrial production as well as daily life such as boiler liquid level and water level. In the paper ,the water tank model is established for water level control system,PID control rule is de- signed,After simulation using Matlab and setting PID parameters ,then the simulation curve and the set parameters are got, the control effect is very well and can realize the water level control. Key words: liquid level control;

PID algorithm;

setting;

MATLAB

1 引言面液位控制可用于生产生活的各方.如锅炉液 位的控制, 如果液位过低, 可能造成干烧, 容易发生事 故;

炼油过程中精馏塔液位的控制, 关系到产品的质 量.笔者针对双容水箱, 以下水箱液位为控制对象, 选择进水阀门为执行机构, 基于 Matlab 建模仿真, 采用PID 控制算法, 整定 PID 参数, 得出合理控制参数.

2 系统建模 2.

1 实验平台 以A3000 实验系统为基础, 选择中水箱和下水 箱为对象模型, 设计 PID 控制器, 通过下水箱液位来 控制电磁阀的阀门开度, 实现下水箱液位的控制.实 验系统如图

1 所示. 图1实验系统平台 2.

2 阶跃响应法建立系统模型 阶跃响应是指输入变量的变化引起的系统时间 响应, 可测定系统阶跃响应, 从而拟合系统传递函数. 系统通过泵供水, 首先手动调节阀开度, 改变水箱液 位的给定量, 相当于施加了输入量的阶跃变化, 从而 得到响应曲线. ( 1) 确定中水箱阶跃响应参数 初始工作点电 动调节阀的开度为 60% ;

中水箱的液位为 39% ;

下水 箱的液位为 33% .在完成数据采集工作后, 可得到 两个水箱的传递函数.由此得出, 中水箱响应曲线的 拟合曲线和传递函数, 拟合曲线如图

2 所示.在给定 脉冲的情况下, 下水箱响应曲线的拟合曲线和传递函 数, 拟合曲线如图

3 所示. 图2中水箱的响应曲线 从图

3 可以看出, 中水箱模型为一阶惯性环节, 经过分析, 当求中、 下水箱的传递函数时, 可以把二者 ・

3 8

1 ・ ・机械研究与应用・2012 年第

3 期(总第

119 期) 检测与控制 * 收稿日期:

2012 -

04 -

20 作者简介: 董学勤(

1969 - ) , 女, 河南商丘人, 讲师, 主要从事机电一体化方面的教学与研究工作. 看成一阶惯性系统.系统的传递函数求解过程如下. 图3下水箱的响应曲线 一阶惯性环节系统的一般传递函数结构: G( s) = k1 T1 s +

1 e-τs 利用两点法来确定一阶惯性滞后环节的 K1 , T1 , τ1 .当阶跃响应曲线如图

4 呈S形时, 即可用上 式来求传递函数. 图4典型惯性环节 阶跃响应 放大系数可通过下式 来计算: k1 = y( ) ! u0 再将 y( t) 转化为无量 纲形式.选择两个时刻 t1 , t2 ≥τ.则: y* ( t1 ) =

1 - exp ( - t1 - τ T ) y* ( t2 ) =

1 - exp ( - t2 - τ T { ) 解得: T = t2 - t1 ln [

1 - y* ( t1) ]- ln [

1 - y* ( t2) ] τ = t2 ln [

1 - y* ( t1) ]- t1 ln [

1 - y* ( t2) ] ln [

1 - y* ( t1) ]- ln [

1 - y* ( t2) ] 当取 y* ( t1 ) = 0. 39, y* ( t2 ) = 0.

63 ;

则有 T = 2( t2 - t1 ) , τ = 2t1 - t2 .经计算得到: K1 = 0. 519;

T1 = 108;

τ =

5 .则中水箱的传递函数为: G( s) = 0.

519 108s +

1 e-5s ( 2) 确定下水箱阶跃响应参数 利用矩形脉冲 法来获取阶跃响应曲线的方法.利用矩形脉冲作为 输入可避免工况长时间偏离设定值, 在t0 时刻给系统 加阶跃, t1 时刻取消阶跃.对于线性对象, 则矩形脉 冲的响应就是两个阶跃响应之和, 即: y( t) = y1 ( t) + y2 ( t) = y1 ( t) - y1 ( t - Δt) 其中: y2 ( t) = - y1 ( t - Δt) ;

可得到: y1 ( t) = y( t) + y1 ( t - Δt) ;

可将时间轴进行 n 等分, 得到: y1 ( t) = y ( t) , t0 <

t <

t1 ;

y1 ( t) = y( t) + y1 ( t - Δt) , t1 <

t. 经过计算得: K = 0. 461;

T = 100;

τ = 10.则下水 箱的传递函数为: G( s) = 0.

461 100s +

1 e-10s 2.

2 控制系统选择 由于实验用水箱外部干扰较多, 且波动也较明 显, 干扰变化剧烈, 所以本设计采用串级控制方案, 串 级控制可获得中间变量, 并且可组成副反馈回路, 这 样可对影响中间变量的干扰进行提前调节, 对从副回 路进人的干扰有较强的调节能力, 改善系统的动态特 性, 还能减小系统的时间常数, 对操作情况有较强的 适应能力, 从而使整个系统的控制效果得到改善, 采 用液位 - 液位串级控制系统 [1 ] . 液位 - 液位串级控制主要有主副控制器, 其系统 结构如图

5 所示.将下水箱液位变送器的主参数测 量信号输入主控制器, 主控制器的输出作为副控制器 的外给定信号, 副控制器根据上水箱液位的副参数测 量信号与来自主控制器给定信号间偏差大小和方向 调节调节阀控制上水箱液位, 以此控制下水箱液位. 图5液位 - 液位串级控制系统 主调节器起定位周节作用, 而副调节器主要起随 动调节作用, 主参数是工艺操作的主要指标, 允许波 动的范围较小, 一般要求无余差, 通常主调节器选择 PI 控制规律.副参数的设置是为了保证主参数的控 制质量, 可在一定范围内变化, 允许有余差. 与单回路相比, 液位 - 液位串级控制系统有很明 显的优势.副回路的存在, 能迅速克服进入副回路扰 动, 保证干扰不会进入主回路, 提高控制效果.此外, 副回路的引入减小了对象相位滞后, 能使主回路响应 速度大大提高, 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改善了系统鲁棒性, 而 且可以实现更为灵活复杂的控制, 所以本文采用液位 - 液位串级控制系统. 2.

3 串级控制系统设........