双容水箱报告

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1、沈阳航空航天大学自动化专业技能训练（课程设计报告）题目双容水箱的PID液位控制（2）班级14070202学号2011040702072学生姓名孙嘉壮指导教师刘洋沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称自动化专业技能训练院（系）自动化学院专业自动化班级14070202学号2011040702072学生姓名孙嘉壮课程设计题目双容水箱的PID液位控制(2)课程设计时间2014年12月29日至2014年1月16日课程设计内容及要求：双溶水箱的控制系统图所示主要内容如下（1）根据物料平衡原理，建立双容水箱的数学模型；（2）在MATLABSim

2、ulink实现仿真；（3）设计PID控制器，控制下水箱液位，尽量满足稳定、准确和快速的要求；（4）在实验室双溶水箱实验台进行验证演示。课程设计主要要求有：（1）掌握经典控制理论中PID控制算法；（2）用MATLAB的Simulink进行仿真；（3）分析P,I,D对系统的时域性能的影响；（4）整理程序设计文档、按照课程设计要求撰写课程设计报告。指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日沈阳航空航天大学课程设计论文双容水箱的PID液位控制（2）孙嘉壮沈阳航空航天大学自动化学院摘要：本文主要研究目的是通过设计PID控制器，控制双容水箱的下

3、水箱液位，尽量满足稳定、准确和快速的要求。首先需要建立数学模型，然后在Matlab/Simulink进行仿真，最后将几组PID值输入到实际的双容水箱控制系统，以验证PID控制器。通过不同组P、I、D值的比较，来分析P,I,D对系统的时域性能的影响。关键词：下水箱液位；Simulink；PID1.双容水箱的PID液位控制总体方案根据要求，采用如下方案。以A3000过程控制实验系统作为硬件部分，下水箱液位为被控参数。软件部分利用Simulink进行仿真，以PID控制算法作为双容水箱液位控制系统的控制核心，来实现对系统的检测和控制。本方案

4、充分利用了Matlab图形绘制与数据分析的强大功能。Simulink程序把接收数据与给定值做差值，用PID算出输出值返回给下位机对调节阀进行控制。最后通过调试得到理想波形。Simulink仿真图如图1所示：图1Simulink仿真图第15页沈阳航空航天大学课程设计论文该仿真系统用PID算出输出值返回给下位，然后对调节阀进行控制。1.双容水箱PID液位控制的数学模型建立过程2.1双容水箱结构：双容水箱结构图2定值QiLT104记录Qoh2图2双容水箱结构图FV101所示：h1水流入量Qi由调节阀u（FV101）控制，流出量Qo通过负载

5、阀来改变，被调量为下水箱水位h2，分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。参数：对该种型号的水箱，在某一平衡点附近，建立其线性化模型，其中各参数分别为：T1=80s，T2=80s，K1=KuR1=1，K2=R2/R1=1。。2.2双容水箱系统分析两容器的流出阀均为手动阀门，流量Q1只与容器1的液位h1有关，与容器2的液位h2无关。容器2的液位也不会影响容器1的液位，两容器无相互影响。由于两容器的流出阀均为手动阀门，故有非线性方程：（1）（2）过程的原始数据模型为：（3）第15页沈阳航空航天大学课程设计论文令容器1、容器2相应的线性水阻

6、分别为R1和R2：(4)(5)其中h1为容器1的初始液位，h2为容器2的初始液位。则有过程传递函数：(6)(7)而由式可以推出：(8)因此有：(9)最终可得该过程的传递函数为：(10)可见，虽然容器1的液位会影响容器2的液位，但容器2的液位不会影响容器1，二者不存在相互影响；过程的传递函数相当于两个容器分别独立时的传递函数相乘，但过程增益为两个独立传递函数相乘的1/R1倍。令Qi=ku，对液位h则控制系统过程传递函数为：(11)由上述分析可知，该过程传递函数为二阶惯性环节，相当于两个具有稳定趋势的一阶自平衡系统的串联，因此也是一个具

7、有自平衡能力的过程。其中时间常数的大小决定了系统反应的快慢，时间常数越小，系统对输入的反应越快，反之，若时间常数较大（即容器面积较大），则反应较慢。由于该过程为两个一阶环节的串联，过程等效时间常数第15页沈阳航空航天大学课程设计论文故总体反应要较单一的一阶环节慢的多。因此通常可用一阶惯性环节加纯滞后来近似无相互影响的双容系统在该液位控制系统中，建模参数如下：控制量：水流量Q；被控量：下水箱液位；控制对象特性：(12)（13）控制器：PID；执行器：控制阀；为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控

8、制器（PID），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双