1、水箱液位控制系统的设计水箱液位控制系统的设计摘 要随着科技的快速发展，过程控制技术也逐渐成熟，这推动了生产生本的缩减，也促进了生产线的持续更新，在这种背景下，探索开发先进高效的控制策略十分有必要。水箱液位控制系统采用高端液位控制技术，是一种组态灵活、易测量、直观性强的开放式平台，能够实施多种相异控制方案。在工业生产中液位是一种较为重要的控制对象，其控制品质是否较高，直接关系到工业生产的效果，所以对这一方面内容进行研究，具有较大的实践性价值和意义。本文对水箱液位控制系统发展背景、现状等进行了探索与分析，在此基础上对该系统开展实验、仿真、建模等操作。为了找出适用于大惯性及非线性系统优化的算法，本文
2、针对于PID为基础的控制器进行详细分析与研究，并将其引入到水箱液位控制系统中，通过实验、仿真等得出结果。最终发现，这种控制算法不仅超调量小，稳定性高，而且系统可以全面提升动与静态性能，更好地将优越性展示出来。关键词：水箱液位；控制系统；设计；PID一、绪论1.1研究背景与意义随着科技的快速发展，各个行业的发展也逐渐向高端方向迈进，人们对自动控制系统的稳定性要求持续上升，且提升了对其控制精读、响应速度等的要求，在社会各领域应用也越发广泛。就应用工业中的过程控制来说，在被控变量自动控制中压力、液位、温度等是最为关键的参数。在工业自动化中过程控制是尤为重要的分支，经过近几十年来的不断发展，工业过程控
3、制得到长足发展，这方面的技术不管是在规模大、结构复杂工业生产中，还是在传统工业改造中，对质量提升、能源节省等工作均能起到非常重要的辅助作用。在过程控制中，液位控制技术的地位十分重要，发挥着强大的作用。就液位控制技术来说，其不管是在工业生产中还是在日常生活中，都发挥着十分重要的作用，如在日常民用水塔供水中，如果水位过低，那么就会影响到居民用水；就工矿企业进水、排水来说，是否可以对其进行合理控制，会直接影响到车间的正常生产；就控制锅炉气泡来说，假设锅炉内液位过低，那么就会导致其发热严重，从而很容易出现事故；在对精馏塔液位进行控制的时候，控制精度和工艺水平会直接影响产品质量和成本。而在这些领域中，很
4、多在操作中都有较高的危险性，或有较大劳动轻度，很容易出现操作失误的情况，从而容易导致事故的产生，如此不仅会导致厂家面临较大的损失，而且还可能导致重大人员伤亡。因此可以发现，在工业生产中，液位控制的准确性是否较高，直接关系到企业的生产成本及生产效益，如果能够对液位控制系统进行科学管理，那么就能够使其更好地推动企业的发展。而要想达到这一目的，就应当探索先进的液位控制技术和方法，提升研究的深度。水箱液位控制系统是借助于高端液位控制策略进行开发与设计，其属于开放性较强的平台，且组态较为灵活，很容易对结果进行观察，能够实施多种相异控制方案。国内外学者们也就此开展了多层次的研究，通过全面深入的研究形成了涵
5、盖面广泛的研究报告，本文对这些理论成果进行了分析和验证，以促进其在生产中更好地发挥作用。1.2研究现状分析受到技术水平的限制，我国工业自动化发展较为缓慢、起步晚，在二十世纪五十年代过程控制技术就诞生了，但一直到七十年代，才开始在生产领域中得以运用。我国从二十世纪八十年代引入了分布式控制系统（DCS），后来，随着时代的发展，可编程控制器以及工业PC机也开始被引入到我国。在九十年代，我国才基本形成完善的过程控制系统体系，如形成了以DCS系统、PLC系统、PC系统为主要系统的综合性系统体系。不过电气控制和仪表装置等，依然运用的是电动组合仪表和气动。近年来，随着随着个人电脑的普及，硬软件资源的丰富以及
6、价格的完善，编程语言、操作系统等不断完善，在过程控制领域中也逐渐开始运用PC-Based技术。这种技术是借助于PC开展上位机监控，并以此达发挥控制功能，同时完成数据采集、数据输入、控制输出等功能的技术。现有情况下，PC技术的发展也更为成熟，在计算精度、运行速度、工作性能、可靠性等多方面都得到了完善，成为工业生产中具备优越技术条件的综合技术。作为整个过程控制技术领域中的重要构成，液位控制在过程控制工业中，其作用十分凸显。当前，自动化、智能化及大型化乃为其核心发展趋势。为了推动液位控制工业经济效益的提升，也逐渐开始完善自动化水平，带动产品质量的全面提升。总体来看，液位控制系统有如下的性能要求：抑制
7、外界扰动；保证系统在快速、稳定等有关方面指标的实现；更为清楚地取得工厂生产数据信息。现有情况下，在运用液位控制技术的时候往往会运用单回路控制，一些时候会同时运用手动控制，在对被控对象进行测量的时候采用指针式机械仪表，此种仪表形式，一般情况下，可划分为接近开关式及浮子式等。在过程控制技术不断发展的过程中，假设依然运用传统方式的液位控制，那么很容易出现效率低下的问题，难以满足快速发展的需求，所以开发和研究先进性更强的、能够满足工业生产需求的控制系统尤为必要。该系统开发，不仅要满足高控制要求，而且还要满足企业在设备成本方面的管控，推动成本的降低，以更好地保证生产安全性和可靠性。在不断发展过程中，当前
8、液位控制已经有了良好的应用成果。二十世纪七十年代到九十年代是其发展的重要时期，在控制理论上其也经过了升级式发展，从传统控制理论发展为现代特色显著的新型控制理论。该控制理论涉及到诸多学科，且这些学科之间相互交叉；在控制工具层面，开始从机械指针式仪表向智能仪表过度。另外，计算机网络控制技术也开始被运用到控制系统中。随着控制要求的不断提升，控制技术也逐渐向智能化方向发展。1.3论文研究的主要内容本文将液位控制技术和实验装置作为研究对象，通过机理建模及系统辨识模型的方式，先构建数学模型，后依据系统多变量、易扰动、纯滞后等特征，引入PID控制算法整定PID参数，得到准确性、稳定性较高的控制参数，对系统开
9、展了仿真性实验操作活动。论文共为五个部分，详细内容如下：第一个部分：对本文研究的意义、背景等进行介绍，并在网络中搜索水箱液位控制系统有关的国内和国外研究内容，了解研究现状。第二个部分：简单介绍水箱液位控制系统，对其实验装置进行介绍，并对其系统算法进行分析。第三个部分：针对于水箱液位控制系统开展详细的建模分析。第四个部分：围绕PID系统进行研究与设计。其一，对有关概念进行介绍，并梳理PID控制的原理；其二，分析PID参数以及具体的整定方法；其三，在上述步骤的基础上做仿真实验。第五个部分：本文结语部分。二、水箱液位控制系统简介2.1水箱液位系统的概述水箱液位控制系统有较多的构成部分，如控制器、电动
10、调节阀、上水箱、下水箱、液位变送器等。其中控制器的作用是控制电动调节阀开度；液位变送器的作用是检测水箱液位，并呈现对应的数据信息；电动调节阀是根据实际需求调节水箱的进水量。详细内容见图1。图 1 液位系统控制流程图2.2液位控制系统的实验装置液位控制系统对应的装置也较多，如有水箱、电动调节阀、变送器、压力传感器、I/O信号接口面板等。且运用了很多高端技术，如通讯技术、自动化工业技术、计算机控制技术、自动化仪表测量技术等，通过这些技术确保装置功能的实现。系统中的热工参数主要为液位、流量、温度、压力等。2.2.1水箱主体水箱的组成部分较多，如有盛水容器、回收水槽等。前者指的是盛装液体的容器，由于要
11、盛装液体，所以必须要具备超高的保密性；后者是回收水槽，其用处是收集水箱中所流出来的水，在系统被启动之后，吸水泵会向水箱抽送水槽中的水。连接管道指的是链接不同水箱的通道，在它上部，安装了对应的手动阀门，在对阀门开度进行调节的同时实现对水箱流通情况的管控。就储水箱来说，其中间设置了两个椭圆形的过滤网罩，如此能够避免杂物的进入。2.2.2检测装置通常来看，检测装置的组成内容有两个，即传感器、变送器。传感器会直接与被测变量相接触，并通过转换得到对应的物理信号，然后会将信号传送给变送器，转化之后会得到较为标准的电信号。输出检测元件是安装于水箱最底部的压力传感器和温度传感器，其中传感器能够通过总线模块和A
12、/D转换模块实时向控制器传送水箱中水的压力和温度，并成为闭环系统中的反馈量。2.2.3电动调节阀智能电动调节阀的作用是控制和调节回路流量。其融合了功能强、重量轻、高精度及驱动力大等特点。输出阀位信号是控制信号区间420mADC、420mADC或者15VDC，以便及时对其进行校正、使用等，2.2.4动阀门和水泵通常来看，手动阀门在链接管道上安装的较多，人们可以依据需求及时对其开度进行调节，如此就能够对系统构成进行改变，如确保相邻两个水箱阀门导通，这就可以形成二阶水箱液位控制系统。同样地，这种方法还能够形成三阶系统。水泵就是安装于回收水槽下方，将水箱外流水抽离出去，并推动水更好循环的装置。2.3水
13、箱液位控制算法的种类（1）PID控制。它属于将智能算法与传统形式有效融合的PID控制，在融合的过程中推动双方优势互补，从而形成新的PID控制器。这种方式融入了传统的PID，具有原理简单、容易调整、物理意义明确等特征。另外，其还具有超高的自适应性，能够提升被控系统的动态性能和精读。（2）模糊控制。其主要是被运用于水箱液位控制系统中，液位差和变化率是输入内容，阀门开度是输出内容，并建立模糊控制器。同时还可将模糊规则及各变量模糊论进行确定，从而完成传送自整定参数的工作。在时变系统和非线性系统中，模糊控制的运用较为频繁，能够取得与预期相一致的控制效果。模糊控制产生基础为控制理论及模糊数学，其利用系统输
14、入及输出量所得出的隶属度函数，然后结合于模糊推理及模糊关系等工具，获取完成的控制规则，以此得到控制的目的，它能够在难以取得精准数学模型的同时，运用于操作流程较为复杂的工业系统中，并且其在鲁棒性和抗扰动性方面都具有较好的效果。（3）神经网络控制。该控制在二十世纪五十年代首先被运用。其通过应用神经网络、自适应等特征，构建三容水箱神经网络，以便为水箱液位控制提供更为准确、科学的指标。（4）预测控制。选用方式若为预测控制，那么可以将前馈补偿解耦预测函数控制算法运用在三荣水箱液位控制中，以更好利用其系统模型要求低、控制性能好等优势，推动系统控制效果的提升。（5）智能复合控制。在设计控制器的时候，可以将多
15、种智能算法融于一体，以构建与水箱情况更符合的新型智能控制器，且还能够有效发挥多种控制算法的优点，达到优势互补的目的，以取得更好的控制结果。三、三、水箱液位系统的建模3.1水箱液位控制系统数学模型要想对水箱液位系统进行控制，就必须要构建对应的系统模型。通常有两种建模方式，即机理建模、数学建模。前者建模方式的本质是将系统机理作为依据，通过对机理的具体分析，在诸如反应动力学规律、能量平衡规律及物质平衡规律等的运用中进行建模。这种方法因为过程便捷，所以得到了很多人员的青睐，不过难以对建模发展趋向进行明确。就液位控制过程来说，其涉及到诸多复杂的物化反应、生化反应等，假设将机理作为依据来建设数学模型，往往
16、面临较大的难度。就数据建模来说，其本质是借助于数学知识探究和分析采集系统中的输出、输入等数据信息，以此得到可以对系统特性进行表征的数学模型。本文在研究的过程中为了得到液位控制系统数学模型，运用了机理建模的方式。3.1.1单容水箱液位控制系统数学模型的构建图2 单容水箱液位控制系统模型通过上述图2中的信息可以发现，u是对阀门开度进行调节的；h1指的是水箱液位对应的增量值；h1指的是液位稳态值；0Q指的是流出量的增量；Q0指的是流出水量的稳态值；1Q指的是水箱中所具有水量的增量；Q1指的是流入水箱对应的稳态值。假设是单容水箱，那么流出量与流入量是一致的，水箱液位保持改变，若二者平衡状态，出现被打破
17、状况，则水箱液位会伴随数量多少，出现上升或下降状况，此时，通过对输入或输出流量实施调节，可重新调衡流入与流出量，促使其再次对等。假设液位动态平衡稳定，那么水流会流经V-1持续流入水箱，且部分水会通过负载阀门V-5流出去。对U开度进行调节，以有效控制入水流量，负载阀门则对流出量进行改变。h1代表的是被控量水位，其能够反映流出与流入量双方的平衡性关系。3.1.2双容水箱数学模型的结构 双容水箱的本质是对两个水箱进行串联，且有两个贮水容积。为了有效构建双荣液位数学模型，可以将其分解掉，即分为上、中水箱及中、下水箱单容液位，并对其进行串联。图3 双容水箱液位控制系统模型上述图3中，f1和f2指的是进水
18、阀的开度；字母h2和h3代表的是液位高度数字；字母Q2和Q 3分别代表的是中、下水箱具体的流入量。双容液位过程控制系统流程为，控制电动调节阀的开度，调节中水箱的流入量，以更好地控制下水箱的液位高度。被控量是h3，即下水箱的液位高度，控制量是电动调节阀对应的开度。3.2水箱液位系统模型的参数辨识3.2.1水箱液位系统模型参数辨识方法整体来看，参数辨识方法有两种:（1）非参数模型辨识法。这种方法与模型结构没有较强的关联性，仅从理论角度，找出等价于待测系统相应观测条件的系统模型。此法所得出的模型，则于某频段，可以对待测系统建模，同时对条件进行观察，如果发现条件出现变化，那么该模型就不满足观测的输出及
19、输入结果。（2）参数模型辨识方法。这种方法在明确系统模型结构的同时，针对于其中未知或者不可测量的参数进行辨识。其主要辨识原理是运用已知的输出或者输入观测数据作为基础进行的辨识。此方法下得到的模型更为趋近于真实系统模型，因此其频域也相对更宽。经常用到的参数模型辨识方法有下面几个：梯度矫正法、最小二乘参数估计法、极大似然法。3.2.2系统模型参数辨识过程步骤：第一步，对模型结构进行明确；第二步；对采集数据进行输入和输出，并处理数据；第三步，对模型进行分辨，并对参数进行全面分析；第四步，验证模型，并做出最终确定。详细内容请看下图4。 图4 本系统的辨识流程图 （1）辨识目的。确定辨识模型的应用目的，
20、这会对模型精度、类型等起到决定性作用，同时也会在很大程度上影响辨识方式。如果所辨识模型，在或预报过程或随动被运用，则精度要求较高。相反，如果在恒值控制中被运用，那么通常对精度的要不不会太高。（2）设计实验。在这个环节中，要尽量融入系统信息。通常其设计信息为闭环、开环辨识或者离线、在线辨识。（3）针对于输出或者输入数据进行采集和处理。在系统辨识过程中得到的输出或者输入数据信息，在内容上有很大一部分属于直流、低频及高频内容，假设对这些成分辨识的时候运用单纯性辨识，那么很难对其进行清除。所以要想提升辨识度，必须要对输出或者输入数据信息进行预处理。（4）选取模型结构。模型结构的辨识方式有两种，模型结构
21、选取、模型参数值辨识。首先要明确被辨识对象，运用先验知识对被辨识系统进行分析，之后选择相对应的模型结构，根据模型结构、数据信息等对模型参数进行辨识，当将模型参数开展估计完成之后，则对其实施模型验证操作；在对模型结构进行确定之前，要对模型中的数值进行辨识，且对参数结构进行确定；（5）对模型进行检验。如果通过检验之后，发现模型合格，那么就可以将系统辨识结束点，反之则要进行第二次辨识。四、基于PID水箱液位控制系统的设计4.1PID控制的概述述现有情况下在工业生产中所运用的控制算法大多都是PID控制，这种控制具有较高的适应性，且运用原理不复杂，具有良好的控制效果。PID控制实质为微分控制、积分及比例
22、合称，针对其发展历程而言，PID控制乃是具有最强控制功能且历史悠久的控制方式。PID控制器的发展阶段可以总结为三个： 第一个阶段：从十七世纪五十年代开始到二十世纪二十年代止。在这个阶段中工业体系出现了多元化发展的趋势，对控制的要求不断提升。在调节蒸汽机阀门位置以及火炉温度的时候，一些学者了解到，被控对象和电动记录仪之间存在紧密关系，而现今的比例及积分作用，便由电气动记录仪研究中所发现，上述两种作用，则与控制器形式是P及PI相对应。 第二个阶段：从二十世纪二十年代开始到四十年代止。在这一时期中，泰勒仪器公司对慢系统控制方法进行了全面研究和分析，并在1953年研究出了可以对该系统进行调节的控制器，
23、从本质来看，该控制作用就是微分作用，其与一阶段当中的P及PI控制作用，一并成为主要的调节器。 第三个阶段：从1942年开始到今天。在这个时间段中Nichols和Ziegler等在闭环环境和开环情景中，运用实验方法，就微分、积分及比例在控制当中的作用分别作出分析，首次将PID控制器具体的参数整定的问题予以提出。PID控制具有较多优势，如容易整定、原理较为简便且使用过程简洁等。正是因为其具备这些优势，所以被很多人员运用到了实际控制对象设计中。如不完全微分、积分分离变速积分、微分先行等，能够在很大程度上改善时滞系统控制的结果，然而，要想达到控制效果的最大化，就必须要整定控制参数，而这往往较为困难。4
24、.2PID控制原理分析ID控制器总共由三个部分组成，即比例单元、积分单元、微分单元。在调节中，借助于该单元参数进行设置，但在对被控对象进行控制的时候，则通过线性组合构成对应的控制量。不同单元具体的作用总结如下： 4.2.1比例单元（P）比例单元就是依据比例反应系统偏差，假设系统中存在偏差，那么会生效比例调节，以此减小偏差，不过其中的过大比例作用，会造成系统在具体的稳定性方面出现下降状况，严重的话，会影像系统的稳定性。4.2.2积分单元（I）积分单元的作用是为了消除系统中所存在的稳态误差，以达到误差度提升的目的。积分调节与存在的误差往往同时进行，直到不存在误差时，积分调节方可停止，恢复常值。在这
25、其中常数Ti会决定积分作用的大小，该数值与积分作用之间是反比例关系，随着Ti 值的降低，积分的作用会不断增大，而反之，积分的作用则会不断减小。将积分调节融入到系统中，可以降低稳定性，且还可能会延迟其动态响应，不过在具体控制中对积分进行运用的时候，通常会与调节规律相契合，构成PI调节器或者PID调节器。4.2.3微分单元（D）微分单元能够对系统偏差信号变化率进行科学反映，且存在一定的预见特质，能够对偏差趋势进行预见，这就能够超前对系统进行控制。微分作用能够改善系统动态性能，也就是在偏差未出现时就对其进行预防、消除等。不过假设在微分时间上产生了选择不合理现象，那么会适当增加调节时间。另外，因为微分
26、作用能够将噪声干扰放大，所以在运用过程中，如果运用过于强烈的微分调节，则不利于系统抗干扰效能。微分调节还可对误差变化率进行及时反映，若误差未发生改变，即微分作用无输出。那么就不能独立对其进行运用，要与其它有关的调节规律相融合，双方共同构成了PD或者PID控制器。4.3PID控制器的种类4.3.1模拟PID控制器 在模拟控制系统中采用PID控制，就产生了模拟PID控制器，与被控对象相结合，就能够产生PID模拟性的控制系统。其具体原理请看下图5：:图5 模拟PID控制系统 其中e(t)指的是控制误差，r(t)属于给定值，y (t)指的是实际输出值。 4.3.2数字PID控制器计算机控制本质是采样控
27、制，只有在得到偏差值的时候才能够对控制量进行计算。而就连续性的PID控制算法来说，要持续性进行采样操作，因此为满足控制要求，要运用离散化方法。位置式PID控制算法、增量式PID控制算法以及数字PID控制器是现实中经常运用到的控制算法，可以根据实际情况，选择对应的方法，以求得到更为准确的分析结果。图6 位置式PID控制系统4.4PID参数整定的方法 我们可以将工程实验整定方法归类为四个，即反应曲线法、经验法、临界比例度法、阻尼振荡法。其中反应曲线法很少被运用到，经验法、临界比例度法、阻尼振荡法是经常会运用到的方法。4.4.1经验法在控制系统中对液位、流量、温度、压力等进行分类，假设类别一致，那么
28、对象就较为接近。在这种情况下，无论是控制器形式，还是整定参数，都能够相互参考。这种方法对经验较为注重，通过经验对数据信息的准确性进行确认，具体的整定法参考信息，请看下表1：表1经验法整定参数系统（%）TI （min）TD（min）温度20-603-100.5-3流量40-1000.1-1压力30-700.4-3液位20-804.4.2临界比例度法 在运用这种方法的时候，要对闭环情况进行详细而全面地分析。第一，假设TI=及TD=0，也就是微分作用及消除积分，于纯比例状况下，从大到小逐步对比例度进行改变，以使系统可以在等幅振荡上对输出响应进行呈现，具体请看下图7。然后根据表2中的经验算式、临界比例
29、度S、振荡周期TS等计算PID调节器参数值，此种整定方法，最终目的是为了得出4：1衰减曲线。 图7具有周期TS 的等幅振荡表2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数PPIPIDs2s 2.2s 1.6sTi(S) T( S)/1.2 0.5T (S) TD(S) 0.125 T (S) 从工艺层面而言，受控变量在等幅振荡相应波动要能够予以承受，也就是说要确保在等幅振荡相应波动区间内受控对象不会出现故障；就受控对象来说，也要对其进行限制，为促使比例环节相应控制作用下，致使系统产生等幅振荡，需保证受控对象乃为二阶，或处于二阶之上，如果其为一阶系统，那么要满足纯滞后环节。另外，在等幅振荡曲线影响因
30、素中，也涵盖了控制阀开及关的相应极端状态，所以在整定的过程中，要重视这一情况，要通过对实际情况的分析，确定是否采用相关措施。4.4.3阻尼振荡法又可以将阻尼振荡法叫做衰减曲线法，这种方法在运用上，也需要设定闭环系统。步骤为：第一步，设定TI=-+及TD=0 ，即微分作用及消除积分，于纯比例状况下，促使调节器开展工作。第二步，适当减小比例度，并加阶跃扰动，详细观察和分析输出响应的衰减过程，当出现图8所示4：1衰减曲线时，方可停止。此时所呈现的比例度，也就是4：1 衰减比例度，S将其予以表示。对于处于相邻状态的两波峰之间的距离而言，就是4：1衰减周期，用ST表示。依据ST及S，然后选用表3.3当中
31、的相关公式，就可以计算出准确的预整定参数值。图8 4:1衰减曲线图仔细对比衰减曲线法及临界比例度法，能够发现双方存在一些相同点，即都是先通过实验求出预期曲线，然后借助于曲线计算参数信息，最后通过表格得出对应的PID参数。不过，不管是采用哪种途径，所计算出来的参数是否准确，都需要在现实中进行运用，根据实际条件对其进行调整、完善等。当前，在现实中运用最为频繁的是临界比例度法，这种方法的运用步骤如下：(1)运用预选择方法确定足够短的采样周期，使其保持于系统工作的状态中；（2）在其中加入比例控制环节，直到系统出现阶跃响应输入，并产生临界振荡，这个时候，要准确记录比例系数与临界振荡周期；（3）确保控制度
32、一定的基础上，利用公式准确计算出PID控制器参数。 4.5仿真实验本次实验依据水箱模型传递函数，于Simulink内，建立一文件，将传递函数模块完成加入，依据系统流程，仿真分析串级控制系统，以此对实际运行当中的阶跃响应曲线，进行有效模拟，基于此，对系统PID控制参数完成确定工作。见图9。图9 系统仿真结构图第一步，要对副控制器参数进行确定，该参数可以在切断主控制器的基础上得到。第二步，更改PID控制器当中的P，并由此得到参数值I，在I和P为100时，就能够得出对应的系统输出相应，详细情况请看图10。由图中可知，假设系统出现了震荡的情况，那么继续对P进行改变，如果I=100及P=250，则4：1衰减震荡，就会出现在系统中，这时就完成了副控制器P，也确定了I的参
