三容水箱液位的PID控制技術

李文睿（天津職業(yè)技術師范大學自動化與電氣工程學院,天津　300222）

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三容水箱液位的PID控制技術

李文睿
（天津職業(yè)技術師范大學自動化與電氣工程學院,天津300222）

摘 要:三容水箱系統(tǒng)是一種典型的過程控制系統(tǒng)，通常可用作工業(yè)控制的模型。該控制系統(tǒng)具有禍合性強、慣性大和非線性化等特點。對三容水箱控制系統(tǒng)的分析和研究具有現(xiàn)實意義。模糊PID控制算法作為較為前言而又成熟的系統(tǒng)控制理論，應用于控制系統(tǒng)十分廣泛，可以根據(jù)系統(tǒng)性能的不同要求，完成相應的控制目的。把模糊PID控制策略三容水箱的液位控制，構成模糊PID復合控制，是改善和提高三容水箱控制精度和響應速度的有效途徑。

關鍵詞：三容水箱；PID控制技術；仿真

1　三容水箱液位控制結構

液位控制是工業(yè)控制過程中的常用的控制參數(shù)，具有易于觀察、便于測量以及過程時間常數(shù)相對比較小等優(yōu)點。因此，以液位過程控制構成的實驗系統(tǒng)，可有效實現(xiàn)各種不同的控制方案和進行靈活地組態(tài)控制。三容水箱液位控制系統(tǒng)試驗裝置主要是模擬現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對水位和流量參數(shù)的測量過程、控制并觀測其參數(shù)變化。動態(tài)過程控制系統(tǒng)一般具有慣性大、大時延長和非線性的特點，難以對其進行精確控制。通過水箱液位控制系統(tǒng)實驗研究，可以有效掌握控制理論、微機系統(tǒng)、儀器儀表等相關內(nèi)容和現(xiàn)代控制技術，同時還可以了解生產(chǎn)過程中的工藝流程，便于人們從控制的角度掌握液位控制的的靜態(tài)和動態(tài)工作特性。因而容水箱液位控制系統(tǒng)試驗裝置成為了控制理論與控制工程、過程控制教學、試驗和研究的理想實驗平臺。

三容水箱實驗系統(tǒng)的控制結構由以下幾部分組成：1、控制器；2、由計算機軟件實現(xiàn);3、主要實現(xiàn)各種控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡式PID控制算法、模糊PID控制算法等；執(zhí)行機構，包括水泵、比例及其控制器、溢流閥等。比例電磁閥用于控制向?qū)嶒炁_的水箱容器注水，通過改變比例電磁流量閥控制的輸入電壓值可明顯改變水箱出口流量Q，從而實現(xiàn)容器內(nèi)液位高度自動的控制目的；溢流閥主要是保障整個系統(tǒng)壓力在安全可控的范圍內(nèi)；由于被控對象為三容水箱，可測得被控量為圓柱型水箱內(nèi)的液位高度；三容水箱實驗系統(tǒng)的測量元件是三個應變式的壓力傳感器，一般被用作測量各容器內(nèi)的液位高度的數(shù)值；模/數(shù)、數(shù)/模接口，通過數(shù)據(jù)采集卡的模/數(shù)轉換功能可將傳感器采集的模擬電信號轉換成計算機可識別的數(shù)字信號，同時通過此數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)/模轉換功能，將預先設置的數(shù)字電壓信號轉換成相應的模擬電壓信號，再傳送給比例電磁閥，從而調(diào)節(jié)三容水箱實驗系統(tǒng)得進水流量，勁兒執(zhí)行各種控制算法。

2　模糊PID控制器的設計

PID控制器和被控對象共同組成了模糊PID控制系統(tǒng)。其中，模糊PID控制器由模糊控制調(diào)節(jié)器和PID控制算法兩部分組成。模糊PID控制系統(tǒng)的輸入變量包括以下三部分：控制系統(tǒng)的實際測量變量與系統(tǒng)設定初始值的差值和差值變化率，三個值是已知數(shù)值的確定量。通過模糊控制調(diào)節(jié)器的模糊化、模糊推理以及清晰化后間接的調(diào)節(jié)PID的比例、微分和積分系數(shù)，進而實現(xiàn)PID的控制算法的在線控制并最終獲得可操作的確定值，而這值即是模糊PID控制器的輸出值。通過確定值的調(diào)節(jié)和控制，可以使得誤差和誤差變化率都趨近于零，從而實現(xiàn)被控系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的目標。

在模糊PID控制器的整體結構和參數(shù)確定下來以后，可以根據(jù)該系統(tǒng)的的要求具體設計整個系統(tǒng)結構的模糊PID控制器。但是無論選取何種結構的模糊控制器，其設計過程大致會包含以下有幾步：首先確定控制系統(tǒng)的輸入、輸出變量；其次確定控制系統(tǒng)中包含的變量的模糊化條件；再設計控制規(guī)則庫；再設計模糊推理結構；最后確定模糊判決的方法。

3　模型建立

時域法建模是表較常用的一種實驗建模的方法，大致可分為系統(tǒng)階躍響應法和矩形脈沖響應法。相對來講階躍信號更容易獲取，且節(jié)約信號的對象特性的測定方法也相對較多，故此本文主擬采用階躍響應法，階躍響應方法是給被控制對象施加階躍信號，測定其階躍響應變化曲線，然后根據(jù)該曲線的變化特點，求出被控制對象的整體傳遞函數(shù)。對于單入單出的一階函數(shù)對象的特征，根據(jù)物料守恒原理，容器內(nèi)液體總量的變化率等于單位時間內(nèi)流入液體的總量減掉單位時間內(nèi)流出液體的總量。推導可得容器內(nèi)液位h的變化可列如下方程:

其中R稱為閥門的液阻，A為容器截面積。本文采用數(shù)據(jù)參數(shù)[1]如下：

4　系統(tǒng)仿真

水箱系統(tǒng)選定在在180-360mm液位高度，由Ziegler-Nichols[2]整定

公式：

其中三者關系為：

其中，Kp為控制系統(tǒng)的比例參數(shù)，Ki為積分時間參數(shù)，Kd為微分時間參數(shù)，K為被控對象的增益，即K=0.086，T為被控對象的時間參數(shù)，即T=34 s，T為被控對象的延遲時間，即T=2 s。本文控制中采樣周期Ts=0.3s[3]，從而根據(jù)式（3）、式（4）確定積分式PID控制器的參數(shù)分別為：

由此，通過MATLAB軟件，通過變化相關參數(shù)，可得出較為理想的（響應速度快、穩(wěn)定）水箱液位變化曲線，從而較好的控制水箱液位。

5　總結

本文分析了三容水箱液位控制系統(tǒng)結構，對PID的控制算法實施控制的原理進行了討論與研究。在此基礎上，應用系統(tǒng)仿真對三容水箱液位控制系統(tǒng)進行了建模仿真，研究了系統(tǒng)的運行特點，對系統(tǒng)運行過程中的系統(tǒng)參數(shù)進行了設定、控制，并且進行了相關分析，以期獲得穩(wěn)定精確的水箱液位控制手段。

參考文獻：

[1]王曉靜.基于三容水箱的模糊PID控制算法研究及實驗教學系統(tǒng)開發(fā)[D].長沙:中南大學,2009:5-1.

[2]侯燕.三容水箱液位控制系統(tǒng)的研究[D].武漢:華中科技大學,2005:4-18.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.013