三容水箱液位的PID控制技術(shù)

李文睿（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,天津　300222）

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三容水箱液位的PID控制技術(shù)

李文睿
（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,天津300222）

摘 要:三容水箱系統(tǒng)是一種典型的過(guò)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(qiáng)、慣性大和非線性化等特點(diǎn)。對(duì)三容水箱控制系統(tǒng)的分析和研究具有現(xiàn)實(shí)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(yīng)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(yīng)的控制目的。把模糊PID控制策略三容水箱的液位控制，構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制，是改善和提高三容水箱控制精度和響應(yīng)速度的有效途徑。

關(guān)鍵詞：三容水箱；PID控制技術(shù)；仿真

1　三容水箱液位控制結(jié)構(gòu)

液位控制是工業(yè)控制過(guò)程中的常用的控制參數(shù)，具有易于觀察、便于測(cè)量以及過(guò)程時(shí)間常數(shù)相對(duì)比較小等優(yōu)點(diǎn)。因此，以液位過(guò)程控制構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)各種不同的控制方案和進(jìn)行靈活地組態(tài)控制。三容水箱液位控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置主要是模擬現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)水位和流量參數(shù)的測(cè)量過(guò)程、控制并觀測(cè)其參數(shù)變化。動(dòng)態(tài)過(guò)程控制系統(tǒng)一般具有慣性大、大時(shí)延長(zhǎng)和非線性的特點(diǎn)，難以對(duì)其進(jìn)行精確控制。通過(guò)水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，可以有效掌握控制理論、微機(jī)系統(tǒng)、儀器儀表等相關(guān)內(nèi)容和現(xiàn)代控制技術(shù)，同時(shí)還可以了解生產(chǎn)過(guò)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(dòng)態(tài)工作特性。因而容水箱液位控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置成為了控制理論與控制工程、過(guò)程控制教學(xué)、試驗(yàn)和研究的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：1、控制器；2、由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn);3、主要實(shí)現(xiàn)各種控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式PID控制算法、模糊PID控制算法等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)，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?yàn)臺(tái)的水箱容器注水，通過(guò)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(shí)現(xiàn)容器內(nèi)液位高度自動(dòng)的控制目的；溢流閥主要是保障整個(gè)系統(tǒng)壓力在安全可控的范圍內(nèi)；由于被控對(duì)象為三容水箱，可測(cè)得被控量為圓柱型水箱內(nèi)的液位高度；三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量元件是三個(gè)應(yīng)變式的壓力傳感器，一般被用作測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)采集卡的模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能可將傳感器采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)通過(guò)此數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，將預(yù)先設(shè)置的數(shù)字電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓信號(hào)，再傳送給比例電磁閥，從而調(diào)節(jié)三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得進(jìn)水流量，勁兒執(zhí)行各種控制算法。

2　模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

PID控制器和被控對(duì)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(shí)際測(cè)量變量與系統(tǒng)設(shè)定初始值的差值和差值變化率，三個(gè)值是已知數(shù)值的確定量。通過(guò)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(jìn)而實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)的目標(biāo)。

在模糊PID控制器的整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定下來(lái)以后，可以根據(jù)該系統(tǒng)的的要求具體設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模糊PID控制器。但是無(wú)論選取何種結(jié)構(gòu)的模糊控制器，其設(shè)計(jì)過(guò)程大致會(huì)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(shè)計(jì)控制規(guī)則庫(kù)；再設(shè)計(jì)模糊推理結(jié)構(gòu)；最后確定模糊判決的方法。

3　模型建立

時(shí)域法建模是表較常用的一種實(shí)驗(yàn)建模的方法，大致可分為系統(tǒng)階躍響應(yīng)法和矩形脈沖響應(yīng)法。相對(duì)來(lái)講階躍信號(hào)更容易獲取，且節(jié)約信號(hào)的對(duì)象特性的測(cè)定方法也相對(duì)較多，故此本文主擬采用階躍響應(yīng)法，階躍響應(yīng)方法是給被控制對(duì)象施加階躍信號(hào)，測(cè)定其階躍響應(yīng)變化曲線，然后根據(jù)該曲線的變化特點(diǎn)，求出被控制對(duì)象的整體傳遞函數(shù)。對(duì)于單入單出的一階函數(shù)對(duì)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(shí)間內(nèi)流入液體的總量減掉單位時(shí)間內(nèi)流出液體的總量。推導(dǎo)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(mén)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(guān)系為：

其中，Kp為控制系統(tǒng)的比例參數(shù)，Ki為積分時(shí)間參數(shù)，Kd為微分時(shí)間參數(shù)，K為被控對(duì)象的增益，即K=0.086，T為被控對(duì)象的時(shí)間參數(shù)，即T=34 s，T為被控對(duì)象的延遲時(shí)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(guò)MATLAB軟件，通過(guò)變化相關(guān)參數(shù)，可得出較為理想的（響應(yīng)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(jié)

本文分析了三容水箱液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)PID的控制算法實(shí)施控制的原理進(jìn)行了討論與研究。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用系統(tǒng)仿真對(duì)三容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，研究了系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定、控制，并且進(jìn)行了相關(guān)分析，以期獲得穩(wěn)定精確的水箱液位控制手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉靜.基于三容水箱的模糊PID控制算法研究及實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),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(xué),2005:4-18.

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