单容水箱液位控制系统设计与实现

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1、单容水箱液位控制系统设计与实现王宏东北大学“千人计划”教授英国曼彻斯特大学主任教授做好控制工程师的技术要求单容水箱液位控制系统描述被控对象与控制器设计模型控制器设计系统仿真闭环实验提纲1.做好控制工程师的技术要求1.1生产过程控制的作用在工艺和管理运行结构确定后，控制系统是唯一的一组可以改变（优化）产品质量、生产效率和节能减排的手段1.2生产单位的统一结构未来：1.2.1.3控制工程师的作用了解实际系统被控对象控制结构控制器选型系统运行环境1.4控制器设计的目的保证闭环系统稳定抗干扰保证跟踪性能1.5控制器设计步骤1.输入-输出识别2.寻找合

2、理的建模手段3.建立被控对象模型4.设计控制器（结构与参数）1.6系统实验的内容1.跟踪实验2.抗干扰实验3.控制器参数的调整2.单容水箱液位控制系统描述2.1控制目标液位达到设定值运行过程系统安全控制软件平台具有易用性单容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，且超调量控制在给定范围内。保证控制系统在运行过程中安全可靠控制软件平台功能丰富，操作容易检测装置执行机构流量传感器液位传感器2号水泵硬件平台组成(控制器实现平台、检测装置、执行机构)控制器实现平台网络化嵌入式控制器：已嵌入水箱内部2.2单容水箱液位控制系统组成执行机构和检测装置执

3、行机构2号水泵检测装置流量传感器采用TOTTONPUMPS的DC15/5型磁耦合离心泵，工作前，水泵和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水快速旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。水在大气压力或水压的作用下，通过水管压到了进水管内，这样循环就可以实现连续抽水。使用GEMS流量传感器，通过累计流过液体体积的脉冲信号，计算得到液体流量被控对象单容水箱液位传感器检测装置含有一个入水阀，一个泄水阀，单入单出的被控对象，平衡点处可近似一阶惯性环节尺寸：高度25cm，内径7.5c

4、m，外径7.6cm使用Honeywell的26PC型差压传感器作为液位传感器，根据水箱内水的上下表面压力差进行折算得到相应的液位从而进行反馈。软件平台EasyControl控制软件平台MATLAB/Simulink特点：1.用于开放式结构的快速控制原型开发、硬件样机在线测试，有效地缩短开发周期，保证系统柔性；2.由于可以采用实时在线测试，应用于难以建立精确数学模型的系统，可以降低建模和控制器设计的难度；3.与MATLAB系统的无缝集成，便于开发者使用MATLAB中的各种先进算法；4.该软件通过与TCP/IP网络的集成性，可应用于网络控制，远程

5、设置控制方案，便于调试和升级。利用MATLAB/Simulink编写控制程序，能够实现从基础到复杂的控制3.被控对象与控制器设计模型3.1控制系统与被控对象组成3.2被控对象模型被控对象组成被控对象模型是从水泵PWM占空比到液位的过程，包括三部分：PWM到电机给定电压U，U到入水流量及到液位y三个过程。PWM占空比P到水泵电压U的过程水泵电压U到入水流量q1的过程PWM占空比P与电压U具有比例关系，即：U到的过程包括U到电机转速及到入水流量两部分：1.U到的过程具有近似的一阶惯性关系，即：2.到的过程具有比例关系：因此，此过程的传递函数为：输

6、入：入水流量q1输出：液位y入水流量q1到液位y的过程原理某一时刻，单容水箱的入水量与出水量的差值即为水箱内储水量的变化模型建立假设为入水流量，为出水流量，为水箱横截面积，为液位，根据物料平衡原理，由流体力学可知，流体在紊乱情况下，液位与流量之间的非线性关系如下，其中为泄水阀流量系数：将式（2）带入（1）得到被控对象模型：由式（3）可知系统具有非线性，令则在平衡点处进行泰勒级数展开，并忽略高阶项得到：其中由此，两边分别除以，有：进行拉普拉斯变换，整理得到：由于在平衡点处，入水流量等于出水流量，因此：被控对象模型将上述三个环节串联，得到被控对象

7、模型为：故本环节模型为：其中：3.2控制器设计模型阶跃响应法辨识模型参数对于一阶惯性环节，其传递函数为经典的参数辨识的方法包括阶跃响应法、脉冲响应法、频率响应法等。阶跃响应辨识方法根据观察阶跃响应曲线得到系统参数与。在单位阶跃给定下，一阶惯性环节输出进行拉式反变换，得到：因此，在时间t=T处，系统输出为稳态值的0.632倍，由此估计系统时间常数系统的静态放大系数K为稳态值与给定值的比值首先给定水泵PWM占空比41.5%，很短时间后流量稳定在1.5L/min，将PWM阶跃到43%，待其再次稳定，流量为1.6L/min水泵PWM占空比到流量q1的

8、模型此环节传递函数为：过程的静态放大系数为：过程静态放大系数过程的时间常数当流量达到稳态值的0.632倍时，所需时间即为过程的时间常数。故当流量达到（1.6-1.5