水箱液位控制系统

课程设计报告

设计题目：水箱液位控制系统

班级：自动化0901班

学号：

姓名：郝万福

指导教师：王姝梁岩

设计时间：2012年5月7号----5月25号

摘要

在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。

在这次课程设计中，我们主要是设计一个水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首先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，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。最后通过MATLAB仿真实验，加深了对双容水箱滞后过程以及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。在PID参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。通过这次课程设计加深我们对《自动控制原理》、《过程控制系统及仪表》等科目的理解。

关键词：水箱液位控制PID参数整定串级控制前馈控制MATLAB仿真

目录

1．概述 .................................................................................. 错误!未定义书签。

2．课程设计任务及要求 ........................................................ 错误!未定义书签。

实验系统熟悉及过程建模................................................. 错误!未定义书签。

实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计 ........... 错误!未定义书签。

实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计错误!未定义书签。

实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 ... 错误!未定义书签。

实现副回路进水流量的前馈控制 ....................................... 错误!未定义书签。

3 实验系统熟悉及过程建模................................................... 错误!未定义书签。

描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。....... 错误!未定义书签。

水箱液位控制系统的原理框图 ·······················································错误!未定义书签。

水箱液位控制系统的数学模型 ·······················································错误!未定义书签。

利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。错误!未定义书签。

进水流量和上水箱液位模型............................................. 错误!未定义书签。

副回路流量与上水箱液位数学模型................................. 错误!未定义书签。

双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型 ....................... 错误!未定义书签。

4 单容水箱液位的单回路控制系统设计 ................................ 错误!未定义书签。

结构原理............................................................................. 错误!未定义书签。

单容水箱控制器PID参数整定 ......................................... 错误!未定义书签。

旁路阶跃干扰响应曲线..................................................... 错误!未定义书签。

副回路进水阶跃干扰响应曲线......................................... 错误!未定义书签。

干扰频繁剧烈变化的解决办法......................................... 错误!未定义书签。

5.实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计错误!未定义书签。

6.实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计 ....... 错误!未定义书签。

7.实现副回路进水流量的前馈控制 ........................................ 错误!未定义书签。

8.总结 ..................................................................................... 错误!未定义书签。

1．概述

本次课程设计，是让我们应用自控控制原理和过程控制理论知识来设计水箱液位控制系统。在实验过程中，我们用到了wincc软件，调节阀，传感器，PLC等原件，使得我们对于工厂的一些基础设备有了一定了解。在设计过程中，我们通过手动和自动调节使液位保持平衡，以及通过经验凑试法来调节PID参数，这使得我们对于自动控制原理和过程控制系统及仪表课本加深理解，对工业生产中的液位控制有了一定了解，同时也学以致用，不再局限于书本的知识，培养我们独立思考的能力和小组合作精神。

2．课程设计任务及要求

实验系统熟悉及过程建模

描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。

利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。

要求写出具体的建模步骤及结果。

利用实验建模方法建立进水流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。

要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）

利用实验建模方法建立副回路流量和水箱（上）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）

⑤利用实验建模方法建立双容水箱（上下串联）的进水流量（上水箱进水）和水箱（下）液位之间关系的数学模型。要求写出具体的建模步骤及结果，记录该对象的阶跃响应曲线（2种不同幅值的阶跃扰动）

实现单容水箱（上）液位的单回路控制系统设计

画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。

采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。

控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。

打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。实现双容水箱液位（上下水箱串联）的单回路控制系统设计画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图。详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义。说明该控制系统的控制依据和控制功能。

采用经验凑试法调节PID参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。要求在PID参数调试过程中，按控制质量从坏到好分别（P，PI，PID）记录6组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标），并说明你做参数进一步调整的原因，进而掌握PID控制作用对控制质量的影响。

控制系统稳态时，打开旁路干扰阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。

打开副回路进水阀（3种开度模拟3种不同幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）（注意：在这种情况下，不要去调整PID参数）。

实现水箱（上）液位与进水流量的串级控制系统设计

画出此串级控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。

采用经验凑试法调节主、副控制器参数，使控制系统达到满意的控制质量。要求写出调试控制器参数的具体步骤。在PID参数调试过程中，记录10组以上的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）来说明你的调试过程，并说明你做参数进一步调整的原因。

在设定值发生阶跃变化（设定值阶跃增大及设定值阶跃减小）时，观察并记录控制系统的过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）。

打开旁路干扰阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。

打开副回路进水阀（较大幅值的阶跃扰动），记录与其对应的控制系统过渡过程（过渡过程曲线，控制质量指标）；并和（1）中的控制质量进行对比，分析并说明控制质量变化的原因。

实现副回路进水流量的前馈控制

画出此前馈-串级复合控制系统的控制原理图及方框图，详细说明控制系统方框图中的各部分环节所对应的物理意义；说明该控制系统的控制依据和控制功能；分析该控制系统和液位单回路控制系统相比有哪些变化，这些变化会使得该系统有哪些优势。

试求解前馈控制器的模型。

采用简化模型代替前馈控制器，利用Matlab仿真软件调节前馈控制器参数，使得副回路进水流量发生剧烈变化时，控制系统达到满意的控制质量。写出前馈控制器参数的调

试步骤，记录与其对应的6组以上的控制系统过渡过程（包括：过渡过程曲线，控制质量指标），充分反映你的参数调试过程。

3 实验系统熟悉及过程建模

描述实验系统的总体结构（结构图及语言描述）。

水箱液位控制系统的原理框图

水箱液位控制系统是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以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，也称为单回路控制系统。

简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。

图3-1 水箱液位控制系统的原理框图

这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。

水箱液位控制系统的数学模型

该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。 确定过程的输入变量和输出变量

如下图所示，流入水箱的流量1F 是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量2F 取决于水箱液位L 和出料阀2的开度，而出料阀的开库是随用户的需要而改变的。这里，液位L 是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量1F 是过程的控制输入（即操纵量），出料流量2F 是外部扰动。本设计以进料流量1F 作为输入变量。

利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型。

图3-3 系统结构图模式

关闭副管道回路控制系统，利用主管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将阀的开度设置为20%，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。

突然改变阀的开度，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3-4所示：

图3-4 手动模式给定阶跃响应曲线

图中红线为阀开度曲线，可以看出是一个阶跃信号。粉色曲线为电磁流量曲线，通过放大

2

L

1F

2F

1

t

L( )

L(t) L(0)

图3-2 水箱液位过程及其阶跃响应曲线

可以近似为无滞后一阶惯性模型。可以假设流量变化模型为： 0

0()1

s S K

W

T =+ （）

一阶非周期过程比较简单，只需确定放大系数0K 及时间常数0T 即可获得传递函数模型。 确定静态放大系数0K ：利用所测取的阶跃响应曲线估计并绘出被控量的最大稳态值

)(∞y ，如图3-5所示，放大系数0K 为：

()

(0)

0x

y

y

K ∞-=

? （）

确定时间常数0T ：因为00()0.6320.632()y T K x y ?=?=?∞，所以响应曲线)(632.0)(1∞=y t y 所对应的时间1t 就是时间常数0T ，同理响应曲线)(865.0)(2∞=y t y 所对应的时间2t 是2倍时间常数，即02T 。

0(y (∞y 00

(865.0?y (632.0?y y

图3-5 无滞后一阶对象的响应曲线

电磁流量初始稳态值y=，给定幅值R ?%为10%阶跃响应后重新达到稳态值y2=。

()

(0)

300.26170.1885

6.321010

R

y

y

K ∞---=

=

=??

T 0时刻电磁流量值：

0(0.25170.1885)0.6320.18850.2063T y =-?+=

可以对应查找t 1%)的值如下表所示

表1 电磁流量T 0时刻表

由此可以计算出T 0的值：

0108T t t s =-=

综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为：

3

0 6.3210()81

W s s -?=+

进水流量和上水箱液位模型

如图2黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和主管道流量同样满

足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为：

01111()1

T s W s K T s +=+

但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即10T T >>，所以模型可以近似为一阶惯性模型：

1

11()1

K W s T s =

+ 电磁流量初始稳态值h1=，进水流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可以把最大值和

最小值换算成100%的阶跃： 0.25170.1885

x%=

100%=0.0910.6948

-??

重新达到稳态值h2=。可以计算出：

==1.18x

h h K ∞-?（）（0） 同时可以计算出T 0时刻电磁流量值：

()0

13.60 2.900.632 2.909.66h T =-?+=

可以对应查找h 1%)的值如下表所示：

表2 上水箱液位T1时刻表

上水箱液位h0(0%)h1%)

时刻04:04:1304:06:53由此可以计算出T0的值：

1108

T t t s

=-=综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为：

11.18

(s)=

160s+1

W

副回路流量与上水箱液位数学模型

关闭主管道回路控制系统，利用副管道将系统工作模式切换至手动方式，控制上水箱液位。首先将变频器输出频率设置为30Hz，然后通过调节上水箱进水阀和出水阀使液位保持稳定，实现无扰动调节。

突然改变变频器输出为35Hz，模拟给定阶跃变化，观察上主管道流量变化情况。如图3所示：

图3-6 副回路手动模式给定阶跃响应曲线

如图3-6黄色曲线为上水箱液位高度曲线，同样可以看出上水箱液位和副管道流量同样满足一阶惯性环节。上水箱液位和进水流量液位之间的模型为：

2221()1

Ts W s K T s +=+

但是上水箱液位时间常数远远大于进水流量的时间常数，即1T T >>，所以模型可以近似为一阶惯性模型：

222()1

K W s T s =+

电磁流量初始稳态值h(0)=，副管道进水流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可以把变

频器输出最大值和最小值换算成100%的阶跃 0.19130.091

%100%=0.2220.4513

x -?=

?

重新达到稳态值h(∝)=。可以计算出：

0=0.728x

h

h K ∞-=

?（）

（0）

同时可以计算出T 2时刻电磁流量值：

()2

=18.25 2.0920.632 2.092=12.304h T -?+

可以对应查找h 1%)的值如下表所示：

表3 上水箱液位T 2时刻表

由此可以计算出T 0的值：

210169T t t s =-=

综上所述，得出进水流量与主管道流量之间的数学模型为：

()20.728

s =

169s 1

W +

双容水箱串联进水流量与下水箱液位模型

下水箱液位高度曲线如下图绿色曲线所示：

图3-7 下水箱液位高度曲线

从图可以看出为S 状的阶跃响应曲线若对模型精度要求较高，则应采用二阶对象的模型结构，故可以假设下水箱液位和进水流量液位之间的模型为：

3

12()(1)(1)

o K W s T s T s =

++

式中，0K 、1T 、2T 的求法如下：

第一，求取过程的静态放大系数0K 。

3[()(0)]=1.3K y y x =∞-?

第二，1T 、2T 可根据阶跃响应曲线上的两个点来确定，如图5所示：

图3-8 S 状阶跃响应曲线

首先读取)(4.0)(1∞=y t y 和)(8.0)(2∞=y t y 所对应的时间1t 和2t 值，测量时刻如下表:

表3 双容下水箱液位时刻表

下水箱液位 h 0(0%) h 1(40%) h 1(80%) 时刻

04:04:13

04:08:11

04:12:43

由此可以计算出1238t s =，2510t s =。然后利用下式计算1T 、2T 。

计算46.021=t t ，可采用下式所示的二阶环节近似，即：

3

32

3()(1)K W s T s =

+

此时，时间常数为：

12

3171.562 2.18

t t T +=

=?

综上所述可知双容水箱串级下水箱液位与进水流量模型为

32

1.3

()(171.561)W s s =

+

在做这个实验的时候，上水箱测量值的曲线产生毛线，我们及时检查，发现可能是因为线路松动造成的，重新接线后，就解决了问题。

4 单容水箱液位的单回路控制系统设计

结构原理

在设计过程控制系统时，如何选择控制器，以满足生产工艺要求至关重要，如果选择不当，可能根本达不到控制要求。本次课程设计通过对PID 控制器参数整定，进一步熟悉了过程控制系统设计过程。

单回路控制系统的控制原理图如下

图 4-1 单回路控制系统原理图 根据原理图可以画出对应的系统方框图如下：

图4-2单回路控制系统的控制原理方框图

PID 控制器是调节器，需要我们手动设置参数，其传递函数为：

1

()(1)c d i W s K T s T s

=+

+ 液位变

+

PID 控制

控制阀液位

_

水箱

调节阀为气关阀，随输入信号增大通过水流量也增大。上水箱液位控制过程之前已经建立过模型，其传递函数为：

0()1

o

o K W s T s =

+ 系统由于扰动)(s F 作用使被控量)(s Y 偏离了给定值)(s X ，即产生偏差)(s E ，调节器根据偏差)(s E 大小并按某种控制算法发出控制信号)(s U 送往调节阀，以改变阀门开度，即改变控制变量)(s Q ，从而克服扰动)(s F 对被控量)(s Y 的影响，使测量值)(s Z 接近设定值)(s X 。功能是是输出回到设定值。

单容水箱控制器PID 参数整定

调节器参数整定，是指决定调节器的比例度δ、积分时间I T 和微分时间D T 的具体数值，通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。所谓最佳的控制效果，就是在某种质量指标下，系统达到的最佳调整状态。此时的控制器参数就是所谓的最佳整定参数。

系统设计需要调节PID 参数，使液位设定值发生阶跃变化时，控制系统达到满意的控制质量。本次课程设计中采用经验凑试法整定PID 参数，达到的控制效果满足控制要求。

经验凑试法（现场凑试法）是根据经验先将控制器的参数放在某一数值上，直接在闭环控制系统中通过改变设定值施加扰动，观察过渡过程曲线形状，运用δ、I T 、D T 对过渡过程的影响为依据，按规定的顺序对比例度δ、积分时间I T 和微分时间D T 逐个进行反复凑试，直到获得满意的控制质量．

比例控制规律是最基本的控制规律。它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但存在余差。由于积分能消除余差，所以在比例的基础上加上积分控制，是效果更好，在本次试验中，微分的作用不太明显。实验操作时,需要把控制方式切换到自动模式，首先设定

积分时间常数∞=I T ，微分时间常数0=D T ，比例系数P 从小到大改变以试出比较理想的控制效果。

图4-3 K P =5控制效果

图4-4 K P =18控制效果

如图4-3、图4-4所示为比例系数的整定过程，p =5k 时达到稳定的时间太长，为使响应加快，需要增大比例作用，所以K P 应该增大。当p =18k 时达到稳定的时间短，超调也很小，所以认为此时比例系数比较合理。

由于图4的液位高度设定值是22，而达到稳定时液位高度为，存在比较大的偏差，所以

需要引入积分作用。

根据经验凑试法调节步骤，首先将比例度放大10%~20%,取K=15不断调节T I 的大小，使之

达到合适的效果。

图4-5 T I =104ms

图4-6 T I =7×104ms

图4-7 T I =8×104ms

如图4-5所示，当4i =10ms T ，阶跃响应震荡过于剧烈，由此可知积分作用太强，应该减弱积分作用，所以应增大i T 。令4i =710ms T ?，递减比为:1。控制效果比较好，再增大积分时间时，递减比反而增大，如图4-7所示，4i =810ms T ?，递减比为:1。综合以上叙述可知，

4

i

=710ms T ?相对最合理。从实验效果来看可以不加微分作用就能满足要求。而实际上单容水箱滞后不明显，可以不加微分。为了加强对控制系统设计的了解，我们仍然引入了微分作用，但是改善效果作用不大。

先将比例度减小10%~20%，取16.2P K =，时间常数4i =710ms T ?，调节微分作用。

4

=1.510ms D

T ?时效果比较好，从图4-8所示：

图4-8 PID 调节效果

从图可以看出，引入微分起到的效果并不太理想，所以可以不加微分，只用PI 调节。

旁路阶跃干扰响应曲线

通过PID 控制器参数的整定，可以使输出稳态值达到设定值，且响应速度比较快，控制效果好。但是要评价一个系统的好坏，不能只看输出值是否能达到设定值，还要看系统是否有抗干扰能力。工业现场有很多因素会影响控制过程，我们称之为扰动。为检验系统是否有抗干扰能力，可以在控制系统达到稳态时，打开旁路干扰阀，不同开度的旁路阀可以模拟不同的阶跃扰动。

图4-9 旁路阶跃扰动

如图9所示，当系统达到稳态时，打开一个较小开度的旁路阀，通过PID 控制器的调节，能很快抑制干扰。但是如果旁路阀开度太大，即干扰太大，超出了系统的调节范围，此时调节阀开度会降到0，水箱液位曲线呈发散状态，因此系统不能达到稳定状态。从整体效果来看，控制系统能抑制较大的干扰，而且能快速响应扰动，控制效果好。