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三容水箱液位的PID控制技术

作者：李文睿

来源：《山东工业技术》2016年第01期

摘 要：三容水箱系统是一种典型的过程控制系统，通常可用作工业控制的模型。该控制系统具有祸合性强、惯性大和非线性化等特点。对三容水箱控制系统的分析和研究具有现实意义。模糊PID控制算法作为较为前言而又成熟的系统控制理论，应用于控制系统十分广泛，可以根据系统性能的不同要求，完成相应的控制目的。把模糊PID控制策略三容水箱的液位控制，构成模糊PID复合控制，是改善和提高三容水箱控制精度和响应速度的有效途径。 关键词：三容水箱；PID控制技术；仿真 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.013 1 三容水箱液位控制结构

液位控制是工业控制过程中的常用的控制参数，具有易于观察、便于测量以及过程时间常数相对比较小等优点。因此，以液位过程控制构成的实验系统，可有效实现各种不同的控制方案和进行灵活地组态控制。三容水箱液位控制系统试验装置主要是模拟现代工业生产中对水位和流量参数的测量过程、控制并观测其参数变化。动态过程控制系统一般具有惯性大、大时延长和非线性的特点，难以对其进行精确控制。通过水箱液位控制系统实验研究，可以有效掌握控制理论、微机系统、仪器仪表等相关内容和现代控制技术，同时还可以了解生产过程中的工艺流程，便于人们从控制的角度掌握液位控制的的静态和动态工作特性。因而容水箱液位控制系统试验装置成为了控制理论与控制工程、过程控制教学、试验和研究的理想实验平台。 三容水箱实验系统的控制结构由以下几部分组成：1、控制器；2、由计算机软件实现；3、主要实现各种控制算法，如神经网络式PID控制算法、模糊PID控制算法等；执行机构，包括水泵、比例及其控制器、溢流阀等。比例电磁阀用于控制向实验台的水箱容器注水，通过改变比例电磁流量阀控制的输入电压值可明显改变水箱出口流量Q，从而实现容器内液位高度自动的控制目的；溢流阀主要是保障整个系统压力在安全可控的范围内；由于被控对象为三容水箱，可测得被控量为圆柱型水箱内的液位高度；三容水箱实验系统的测量元件是三个应变式的压力传感器，一般被用作测量各容器内的液位高度的数值；模/数、数/模接口，通过数据采集卡的模/数转换功能可将传感器采集的模拟电信号转换成计算机可识别的数字信号，同时通过此数据采集卡的数/模转换功能，将预先设置的数字电压信号转换成相应的模拟电压信号，再传送给比例电磁阀，从而调节三容水箱实验系统得进水流量，劲儿执行各种控制算法。 2 模糊PID控制器的设计

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PID控制器和被控对象共同组成了模糊PID控制系统。其中，模糊PID控制器由模糊控制调节器和PID控制算法两部分组成。模糊PID控制系统的输入变量包括以下三部分：控制系统的实际测量变量与系统设定初始值的差值和差值变化率，三个值是已知数值的确定量。通过模糊控制调节器的模糊化、模糊推理以及清晰化后间接的调节PID的比例、微分和积分系数，进而实现PID的控制算法的在线控制并最终获得可操作的确定值，而这值即是模糊PID控制器的输出值。通过确定值的调节和控制，可以使得误差和误差变化率都趋近于零，从而实现被控系统处于稳定状态的目标。

在模糊PID控制器的整体结构和参数确定下来以后，可以根据该系统的的要求具体设计整个系统结构的模糊PID控制器。但是无论选取何种结构的模糊控制器，其设计过程大致会包含以下有几步：首先确定控制系统的输入、输出变量；其次确定控制系统中包含的变量的模糊化条件；再设计控制规则库；再设计模糊推理结构；最后确定模糊判决的方法。 3 模型建立

时域法建模是表较常用的一种实验建模的方法，大致可分为系统阶跃响应法和矩形脉冲响应法。相对来讲阶跃信号更容易获取，且节约信号的对象特性的测定方法也相对较多，故此本文主拟采用阶跃响应法，阶跃响应方法是给被控制对象施加阶跃信号，测定其阶跃响应变化曲线，然后根据该曲线的变化特点，求出被控制对象的整体传递函数。对于单入单出的一阶函数对象的特征，根据物料守恒原理，容器内液体总量的变化率等于单位时间内流入液体的总量减掉单位时间内流出液体的总量。推导可得容器内液位h的变化可列如下方程： 其中R称为阀门的液阻，A为容器截面积。本文采用数据参数[1]如下： 4 系统仿真

水箱系统选定在在180-360mm液位高度，由Ziegler-Nichols[2]整定公式：

其中，Kp为控制系统的比例参数，Ki为积分时间参数，Kd为微分时间参数，K为被控对象的增益，即K=0.086，T为被控对象的时间参数，即T=34 s，T为被控对象的延迟时间，即T=2 s。本文控制中采样周期Ts=0.3s[3]，从而根据式（3）、式（4）确定积分式PID控制器的参数分别为：

由此，通过MATLAB软件，通过变化相关参数，可得出较为理想的（响应速度快、稳定）水箱液位变化曲线，从而较好的控制水箱液位。 5 总结

本文分析了三容水箱液位控制系统结构，对PID的控制算法实施控制的原理进行了讨论与研究。在此基础上，应用系统仿真对三容水箱液位控制系统进行了建模仿真，研究了系统的运

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行特点，对系统运行过程中的系统参数进行了设定、控制，并且进行了相关分析，以期获得稳定精确的水箱液位控制手段。 参考文献：

[1]王晓静.基于三容水箱的模糊PID控制算法研究及实验教学系统开发[D].长沙：中南大学，2009：5-1.

[2]侯燕.三容水箱液位控制系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2005：4-18.