双容水箱液位控制系统设计与实现

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1、双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双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.双容水箱液位控制系统描述1.1控制目标液位解耦运行过程系统安全控制软件平台具有易用性双容水箱液位能够在一定时间内达到并稳定在给定值，在其中某个水箱液位变化时，另一个水箱的液位基本维持不变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1.2单容

2、水箱液位控制系统组成液位传感器电磁阀执行机构和检测装置执行机构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双容水箱液位传感器检测装置双入双出的被控对象尺寸：高度25cm，内径7.5cm，外

3、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，远程设置控制方案

4、，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2.被控对象与控制器设计模型2.1控制系统与被控对象组成2.2被控对象模型被控对象组成被控对象模型是从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液位的过程，包括三部分：1.水泵PWM占空比到总流量2.电磁阀开度到一号水箱入水流量3.各流量到双容水箱液位和双容水箱液位系统的耦合关系主要体现在如下两方面：状态耦合关系：由于连通阀的存在，水会从高液位水箱流向低液位水箱;输入耦合关系：2号水泵控制两个水箱的进水流量总和Qin，电磁阀门在支路上，对1号和2号水箱的入水流量

5、都会有影响，因此存在输入耦合关系。双容水箱液位系统的耦合关系水泵PWM占空比到总流量的过程电磁阀开度到一号水箱入水流量的过程此过程同样为时间常数较小的一阶惯性环节，可近似为如下线性关系：此过程为时间常数较小的一阶惯性环节，近似为如下线性关系：被控对象模型流量到双容水箱液位的过程假设，根据物料平衡关系有：其中与分别为入水流量，与分别为泄水流量，为某时刻2号水箱流入1号水箱的流量由流体力学相关知识可得液位与泄水流量的关系为：连通阀水流量1号水箱泄水阀流量2号水箱泄水阀流量由此，得到此环节的被控对象模型其中为阀门比例系数将三个环节进行综合，并考虑到1号水

6、箱和2号水箱的入水量与总流量的关系可知：因此，从水泵PWM占空比和电磁阀开度到双容水箱液位的过程的被控对象模型为：其中的比例系数和基数可以通过实验进行测定2.2控制器设计模型由于耦合关系的存在，假设双容水箱液位耦合系统控制器设计模型的表达式为利用阶跃响应辨识方法，根据改变与引起输出液位的变化曲线，对耦合关系矩阵进行辨识.采用控制变量法，在测定某一列两个元素过程中，相应水箱入水流量阶跃变化而另一个水箱的入水流量保持不变，从而得到液位变化曲线双容水箱液位系统辨识方法与的辨识利用控制变量法，首先辨识矩阵中第一列的两个元素，即：在保证水泵输入电压PWM占空

7、比不变情况下，改变电磁阀开度得到液位变化曲线.保持水泵PWM占空比80%不变，电磁阀从58%到60%作为阶跃激励信号，进行三次实验，结果如下表所示.次数LT1初始液位LT1稳定液位LT1时间常数LT1比例系数LT2初始液位LT2稳定液位LT2时间常数LT2比例系数110.5115.73002.6154.74c9.033452.15210.2515.052722.44.748.843272.05310.2514.982722.374.788.733472.0利用阶跃响应法对得到的响应曲线进行辨识，三次测量取平均值得到传函数如下：与的辨识类似地，在保证

8、电磁阀开度不变情况下，改变水泵输入电压PWM占空比得到液位变化曲线.给定电磁阀开度38%，水泵输入电压PWM占空比由54%