CAD单水箱液位控制系统设计.docx
《CAD单水箱液位控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CAD单水箱液位控制系统设计.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
CAD单水箱液位控制系统设计
控制系统数字仿真与CAD实验设计
单容水箱液位控制系统
专业：
自动化
班级：
1301班
*******************
学号：
24号
*******
摘 要:
根据自动控制系统工艺过程,建立了“水箱系统”的液位控制的数字仿真模型,利用Matlab的Simulink对该模型进行仿真并研究“水箱系统”在什么条件下可视为无静差系统。
仿真结果表明采用PI调节器“水箱系统”可以实现无静差，并且具有较好的动态过程控制,这对人们进一步研究相似的控制系统具有一定的参考价值。
关键词:
调节规律;Simulink;液位控制；过程分析
Abstract:
Accordingtotheprocessoftheautomaticcontrolsystem,theestablishmentofadigitalsimulationmodelofthetanksystemlevelcontrolusingMatlabSimulinksimulationandstudythemodelofthetanksystem"underwhatconditionscanbetreatedasanon-staticerrorsystem.ThesimulationresultsshowthatthePIregulator"tanksystemcanachievenostaticerror,andhasagooddynamicprocesscontrol,furtherstudyofpeoplesimilartothecontrolsystemhascertainreferencevalue.
Keywords:
Ruleadjusting;Simulink;liquidlevelcontrol;Processanalyzing
正文：
一、引言：
在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题,例如居民生活用水供应,饮料、食品加工,溶液过滤,化工生产等多种行业的生产加工过程,通常需要使用蓄液池,蓄池中的液位需要维持合适的高度,既不能太满溢出造成浪费,也不能过少而无法满足需求。
需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的出（入）液流量,使得蓄液池内液位保持正常水平,保证产品的质量和生产效益。
二、原理与建模
1、原理
（1）Re=vd/r，其中，Re为雷诺系数，v为液体流速，d为管道口径，r为液体粘度。
（2）紊流：
当液体的雷诺系数Re>2000，流体的流态称为紊流。
紊流表征了流体在传递中有能量损失，质点运动紊乱（有横向分量）
（3）层流：
当液体的雷诺系数Re>2000，流体的流态称为层流。
层流表征了流体在传递中能量损失很少，质点运动有序（沿轴向方向）
2、建模
首先进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口。
然后打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数。
“水箱系统”液位控制系统图,可以用图一表示。
图一水箱系统的数学模型
图二水箱系统”的液位控制工艺过程原理
三、设计/分析/论述
1、对水箱液位控制原理图的设计分析
这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图二）。
要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。
正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。
根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。
如图二，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。
若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。
根据动态物料平衡关系有
（1）
将式（2-1）表示为增量形式
（2）
式中，
、
、
——分别为偏离某一平衡状态
、
、
的增量；C——水箱底面积。
在静态时，
=
；
=0；当
发生变化时，液位h随之变化，阀
处的静压也随之变化，
也必然发生变化。
由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。
但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为
与
成正比，而与阀
的阻力
成反比，即
或
（3）
式中，
为阀
的阻力，称为液阻。
将式（2-3）代入式（2-2）可得
（4）
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
（5）
式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。
令输入流量
=
，
为常量，则输出液位的高度为：
（6）
即
（7）
当t
时，
因而有
（8）
当t=T时，则有
（9）
式（2-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数。
现在求反馈系数Q2：
Q1—水箱流入量;Q2—水箱流出量;A—水箱截面积;u—进水阀开度;
f—出水阀开度;h—水箱液位高度;h0—水箱初始液位高度K1—阀体流量比例系数。
假设f不变,系统初始态为稳态,h0=2m,K1=10,A=10m2
（10）
（11）
（12）对（12）式在h0处进行线性化,得:
2=
（13）
（14）
（15）
（16）
2、PID控制的设计分析
模拟PID控制系统原理框图（图三）如下
图三模拟PID控制系统原理框图
在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。
对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。
对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。
一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。
对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。
下面介绍常用的试凑法确定PID控制器参数。
试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度,边观察系统的运行,边修改参数,直到满意为止。
一般情况下,增大比例系数KP会加快系统的响应速度,有利于减少静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡使稳定性变差。
减小积分系数KI将减少积分作用,有利于减少超调使系统稳定,但系统消除静差的速度慢。
增加微分系数KD有利于加快系统的响应,是超调减少,稳定性增加,但对干扰的抑制能力会减弱。
在试凑时,一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。
（1）比例部分整定
首先将积分系数KI和微分系数KD取零,即取消微分和积分作用,采用纯比例控制。
将比例系数KP由小到大变化,观察系统的响应,直至速度快,且有一定范围的超调为止。
如果系统静差在规定范围之内,且响应曲线已满足设计要求,那么只需用纯比例调节器即可。
（2）积分部分整定
如果比例控制系统的静差达不到设计要求,这时可以加入积分作用。
在整定时将积分系数KI由小逐渐增加,积分作用就逐渐增强,观察输出会发现,系统的静差会逐渐减少直至消除。
反复试验几次,直到消除静差的速度满意为止。
注意这时的超调量会比原来加大,应适当的降低一点比例系数KP。
（3）微分部分整定
若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求,或不稳定,这时应加入微分作用,整定时先将微分系数KD从零逐渐增加,观察超调量和稳定性,同时相应地微调比例系数KP、积分系数KI,逐步使凑,直到满意为止。
四、仿真实验/结果分析
1、仿真实验
针对“水箱系统”液位控制,考虑利用Matlab的Simulink对原系统进行仿真研究。
首先,我们可以在没设计调节器（可设P=1,I=0,D=0）的情况下用Simulink对原系统进行仿真分析:
在Simulink下原系统闭环结构图如图四所示（K1=10,K2=0.1,反馈系数K3=Q2=3.356）
图四Simulink下原系统闭环结构图
通过Matlab进行仿真运行后,得到系统的阶跃响应曲线如图五所示。
从系统的阶跃响应曲线图可知:
“水箱系统”液位控制系统在无调节器的情况下,过渡过程是一个非周期过程,是稳定的系统;调节时间较短,响应比较迅速。
但是,该系统为一个有静差的系统。
在许多工业自动控制系统中,“水箱系统”的液位控制是不允许有静差的,因此我们对原系统进行重新设计,给原系统增加一个调节器,实现无静差控制。
2、校正设计
调节器的调节规律是根据对象的特性和控制系统的要求而确定的。
对于“水箱系统”的液位控制问题,希望校正以后的系统达到较好的动、静态性能,稳态误差为零,抗干扰性能好的要求,我们采用PI调节器,应该能够实现。
观察系统校正设计后的阶跃响应曲线（如图八所示）,我们发现校正后的系统与原系统相比具有较好的动、静态性能,且是无静差系统,故取P=5I=2。
图五P=1I=0
图六P=1I=1
图七P=5I=1
图八P=5I=2
五、结论
（1）“水箱系统”的液位控制可以实现无静差,并且具有较好的动态过程控制。
（2）P参数不宜设置过大,否则系统会出现不稳定情况。
（3）当I参数设置较大,即积分作用较强时,可以出现衰减振荡过程。
通常对大多数的自动控制系统的动态过程,出现衰减振荡过程是人们所期望的,但如果仅对我们这次所探讨的系统而言,应该是衰减振荡过程动态性能不如非周期过程理想。
（4）本系统采用PI调节作用,对抗干扰性能的要求也能很好地满足。
参考文献：
[1]张晓华.控制系统数字仿真与CAD.机械工业出版社，2009
[2]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2012
[3]欧阳黎明.Matlab控制系统设计〔M〕.北京:
国防工业出版社,2001
[4]薛定宇.控制系统计算机辅助设计─Matlab语言及应用〔M〕.北京:
清华大学出版社,1998
[5]韩璞,朱希彦.自动控制系统仿真[M].北京:
中国电力出版社,1999
升级会员 