水箱液位控制系统设计本科论文

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1、目录摘要11生产工艺和控制原理介绍21.1液位控制的实现21.2被控对象21.3水箱建模22控制参数和被控参数选择52.1被控制变量的选择52.2执行器的选择52.3PID控制器的选择62.4液位变送器的选择73控制仪表及技术参数103.1比例控制103.2积分控制（I）123.3微分控制（D）123.4比例积分控制（PI）123.5比例积分微分控制（PID）134控制流程图及控制系统方框图145小结15参考文献16摘要水箱液位控制系统是典型的过程控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。本次课程设计通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管

2、道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先通过测取被控液位高度过程的图像，建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱（上）液位高度、副回路进水流量和水箱（上）液位、双容水箱的进水流量和水箱（下）液位之间的数学模型，从而加强了对液位控制系统的了解。然后，通过参数试凑法对PID参数的调试，实现了单容水箱液位（上）的单回路控制系统和双容水箱液位的单回路控制系统控制器的设计。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程已经串级水箱液位过程和前馈控制系统的理解，对工业控制工程中对控制系统设计过程有了一定的认识。水箱液位自动控制系统就是利用自身的水位变化进行调节和改变的系统，它自

3、身具平衡能力，并由电动机带动下自动完成水位恢复的功能。水箱液位是由传感器检测水位变化并达到设定值时，水箱自己的阀门关闭，防止溢出，当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。关键词：水箱液位控制器PID参数整定171生产工艺和控制原理介绍1.1液位控制的实现除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机

4、的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。1.2被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。图2-1单容水箱结构图1.3水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2

5、-1）。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。17如图2-1，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（2-1）将式（2-1）表示为增量形式（2-2）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

6、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（2-3）式中，为阀的阻力，称为液阻。将式（2-3）代入式（2-2）可得（2-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：（2-5）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：(2-6)即（2-7）当t时，因而有17（2-8）当t=T时，则有（2-9）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，如图2-2所示。由式（2-9）可知该曲线

7、上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。图2-2阶跃响应曲线172控制参数和被控参数选择本设计研究的水箱液位控制系统是简单控制系统，是使用的族普遍的、结构最简单的一种过程控制系统。所谓的简单控制系统，通常是指一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统。2.1被控制变量的选择